JPH06112122A - Two-dimensional quantum device structure - Google Patents

Two-dimensional quantum device structure

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JPH06112122A
JPH06112122A JP34630892A JP34630892A JPH06112122A JP H06112122 A JPH06112122 A JP H06112122A JP 34630892 A JP34630892 A JP 34630892A JP 34630892 A JP34630892 A JP 34630892A JP H06112122 A JPH06112122 A JP H06112122A
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JP
Japan
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substrate
plane
diffraction grating
growth
periodic structure
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JP34630892A
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Japanese (ja)
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Seiichi Miyazawa
誠一 宮澤
Mitsuru Otsuka
満 大塚
Natsuhiko Mizutani
夏彦 水谷
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Canon Inc
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Canon Inc
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Publication date
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  • Physical Deposition Of Substances That Are Components Of Semiconductor Devices (AREA)
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Abstract

PURPOSE:To remove crystal defect, and to form a small-gage wire in size and a shape, in which a sufficient quantum confinement effect is generated, by forming a diffraction grating onto a semiconductor substrate having a {111} face and growing a semiconductor crystal on the diffraction grating through an MBE method. CONSTITUTION:A diffraction grating 52 with pitches A1 is formed on the surface of a semiconductor substrate 51 having a face azimuth inclined within a range of 0.5-15 deg. with respect to a {111} face in the semiconductor substrate 51, and a semiconductor crystal is grown on the diffraction grating 52 through one method of an MBE method, a GSMBE method, an MOMBE method and a CBE method. Conditions, in which a growth rate on the {111} face slowed, are selected as the conditions of growth at that time. Accordingly, a saw-tooth- wave shape 53 consisting of a terrace surface made up of the {111} face and a stepped section composed of a {100} face can be shaped, and periodic structure having a period of 1/N to periodic structure formed on the inclined substrate can be introduced.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は低閾電流密度の半導体レ
ーザや高速動作のトランジスター等を実現するために回
折格子上に2次元量子井戸構造を含む半導体装置の構造
に関するものであり、その目的に合致した回折格子の形
成に関することであり、更にその回折格子上に半導体結
晶の製造方法に関するものである。この発明は高性能な
電子特性や光特性を有する半導体素子の作製に応用され
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a structure of a semiconductor device including a two-dimensional quantum well structure on a diffraction grating in order to realize a semiconductor laser having a low threshold current density, a transistor operating at a high speed, and the like. The present invention relates to formation of a diffraction grating conforming to the above, and further relates to a method of manufacturing a semiconductor crystal on the diffraction grating. The present invention is applied to the production of semiconductor devices having high-performance electronic characteristics and optical characteristics.

【0002】[0002]

【従来の技術】半導体基板上に回折格子を作製し、その
上にこの基板の周期構造の位相からずれた第2の周期構
造の層を成長させる半導体構造の研究が行われている。
2. Description of the Related Art Research has been conducted on a semiconductor structure in which a diffraction grating is formed on a semiconductor substrate and a layer having a second periodic structure deviated from the phase of the periodic structure of the substrate is grown thereon.

【0003】回折格子は光エレクトロニクスの分野にお
いて、フィルタ、光結合器、分布帰還型(DFB)レー
ザ、分布ブラッグ反射型(DBR)レーザ等の種々の光
回路素子に用いられている。特に、DFB,DBRレー
ザに代表される波長制御用ないし波長可変半導体レーザ
用に形成された回折格子はレーザの共振器として用いら
れている。その上、回折格子の周期、形状、深さはレー
ザ特性(発振閾値、結合係数等)を決定する重要な因子
であり、高精度の回折格子をこのようなレーザ中に制御
性よく作成することはこの技術分野の重要な課題となっ
ている。
Diffraction gratings are used in various optical circuit devices such as filters, optical couplers, distributed feedback (DFB) lasers and distributed Bragg reflection (DBR) lasers in the field of optoelectronics. In particular, a diffraction grating formed for a wavelength control or wavelength tunable semiconductor laser represented by a DFB or DBR laser is used as a resonator of a laser. In addition, the period, shape, and depth of the diffraction grating are important factors that determine the laser characteristics (oscillation threshold, coupling coefficient, etc.), and it is necessary to create a highly accurate diffraction grating in such a laser with good controllability. Has become an important issue in this technical field.

【0004】従来、回折格子の作成は、格子状フォトレ
ジストマスクの作成とエッチングの2段階の方法で行わ
れている。しかし、光エレクトロニクス分野の回折格子
の周期は0.1〜1.0μmと微細なため、フォトレジ
ストマスクの作成に従来の光リソグラフィ技術を適用す
ることは出来ない。このため、フォログラフィックな露
光法が一般に用いられてきた。これはレーザ光の干渉を
用いた露光法であり、その工程を模式的に図1用いて説
明する。
Conventionally, the diffraction grating is formed by a two-step method of forming a grating photoresist mask and etching. However, since the period of the diffraction grating in the field of optoelectronics is as small as 0.1 to 1.0 μm, the conventional photolithography technique cannot be applied to the production of the photoresist mask. Therefore, the holographic exposure method has been generally used. This is an exposure method using the interference of laser light, and its process will be schematically described with reference to FIG.

【0005】図1の(a)図のように基板 1−21にフ
ォトレジスト 1−22を塗布し、ここに十分に平行光線
である2つのレーザビーム 1−23, 1−24を2方向
(図示例では垂線に対してθの角度をなす2方向)から
照射して、干渉縞を作ってフォトレジストを周期的に露
光し、これを現像、ベークすることによって(b)図の
様な格子状のフォトレジストマスク 1−25を作成す
る。つぎに、上記フォトレジストマスクをエッチングマ
スクとして(c)図の様にエッチング(ウエットまたは
ドライエッチング)し、その後エッチングマスクを剥離
することにより、(d)図のように基板に周期構造(回
折格子) 1−26を転写する。
As shown in FIG. 1 (a), a substrate 1-21 is coated with a photoresist 1-22, and two sufficiently parallel laser beams 1-23, 1-24 are applied in two directions ( In the illustrated example, irradiation is performed from two directions forming an angle of θ with respect to the perpendicular, and interference fringes are formed to periodically expose the photoresist, and this is developed and baked to form a lattice as shown in FIG. A photoresist mask 1-25 in the shape of a circle. Next, using the photoresist mask as an etching mask, etching (wet or dry etching) is performed as shown in FIG. 3C, and then the etching mask is peeled off to form a periodic structure (diffraction grating) on the substrate as shown in FIG. ) Transferring 1-26.

【0006】フォログラフィックな干渉露光法において
は、2つのレーザビームの入射角をθ、レーザビームの
波長をλとすると、作製できる格子間隔Λ((b)図参
照)はΛ=λ/(2sinθ)で表される。露光用レー
ザとしては、Arレーザ(λ=351nm)、またはH
e−Cdレ−ザ(λ=352nm)が適している。Λ≦
0.25μm程度のマスクを作るには、He−Cdレ−
ザを用いる。一方、DFB,DBR半導体レーザの発振
波長λは、次式λ=λ0 /Neff =2Λ/m(m=1,
2...)で表すことができる。ここでλ0 /Neff
媒質内でのブラッグ波長、Neff は媒質の等価屈折率、
λはこの半導体レーザ中の回折格子の周期である。整数
であるm=1の場合が1次回折、m=2の場合が2次回
折を意味する。
In the holographic interference exposure method, assuming that the incident angle of two laser beams is θ and the wavelength of the laser beams is λ, the lattice spacing Λ (see the figure (b)) that can be produced is Λ = λ / (2sinθ). ). As an exposure laser, an Ar laser (λ = 351 nm) or H
An e-Cd laser (λ = 352 nm) is suitable. Λ ≦
To make a mask of about 0.25 μm, a He-Cd laser is used.
Use the Z. On the other hand, the oscillation wavelength λ of the DFB and DBR semiconductor lasers has the following formula λ = λ 0 / N eff = 2Λ / m (m = 1,
2. . . ) Can be represented. Where λ 0 / N eff is the Bragg wavelength in the medium, N eff is the equivalent refractive index of the medium,
λ is the period of the diffraction grating in this semiconductor laser. The case of an integer m = 1 means the first-order diffraction, and the case of m = 2 means the second-order diffraction.

【0007】このような半導体レ−ザでは、例えば、G
aAsを活性層とする短波長の場合には、回折格子の周
期Λは、発振波長を0.8μmとすると、上述の式(1
次回折を利用する場合とする)から、約115nmにま
で小さくなる。またm次回折を利用する場合でも、11
5nmのm倍程度にしか大きくならない。従って、回折
格子作成の際に露光用レ−ザビ−ムの波長を小さくする
ためには、He−Cdレ−ザの波長λ=325nmを用
いても、空気中では1次回折用の格子を作成することは
できないことになる。
In such a semiconductor laser, for example, G
In the case of a short wavelength using aAs as the active layer, the period Λ of the diffraction grating is expressed by the above formula (1) when the oscillation wavelength is 0.8 μm.
It is assumed that the next diffraction is used) to about 115 nm. Even when the m-th order diffraction is used, 11
It is only about m times 5 nm larger. Therefore, in order to reduce the wavelength of the exposure laser beam when creating the diffraction grating, even if the wavelength λ = 325 nm of the He-Cd laser is used, the grating for the first-order diffraction is set in the air. It cannot be created.

【0008】そこで、GaAs系短波長DFB,DBR
半導体レーザの1次回折格子(周期Λ=130nm以
下)の作成方法として、次の3つの方法が挙げられる。
Therefore, GaAs short wavelength DFB, DBR
The following three methods can be given as methods for forming the first-order diffraction grating (period Λ = 130 nm or less) of the semiconductor laser.

【0009】第1の方法として、試料を高屈折率媒質中
に浸漬して、そのなかで干渉露光を行って媒質の屈折率
分だけ回折格子の周期を短くする方法がある。高屈折率
媒質としては、例えば、光吸収の少ないキシレンを用い
る。また、類似の方法例としては、フォトレジスト膜上
に屈折率整合用オイルを介して3角形または長方形プリ
ズムをおき、このプリズムの両側から露光用の2つの光
束を入射させる方法もある。
As a first method, there is a method of immersing a sample in a high refractive index medium and performing interference exposure in the medium to shorten the period of the diffraction grating by the refractive index of the medium. As the high refractive index medium, for example, xylene, which absorbs little light, is used. Further, as a similar method example, there is a method in which a triangular or rectangular prism is placed on the photoresist film via a refractive index matching oil, and two light beams for exposure are made incident from both sides of this prism.

【0010】第2の方法は2光束干渉露光法によって得
られた回折格子の周期を更なる処理によって半分にする
ものである。図2の(a)図に模式的に示すように、ま
ず基板 2−27の上に複数の溝(回折格子) 2−27a
を形成し、次にエッチングマスク材料(フォトレジス
ト) 2−28を全面に形成する。この後に、(b)図に
示すように、露光、現像によりエッチング面を露出させ
てから、(c)図の様にエッチングを行い、こうして
(d)図に示すように周期が初めの溝 2−27aの半分
の回折格子を得る。
The second method is to halve the period of the diffraction grating obtained by the two-beam interference exposure method by further processing. As shown schematically in FIG. 2A, first, a plurality of grooves (diffraction grating) 2-27a are formed on the substrate 2-27.
And then an etching mask material (photoresist) 2-28 is formed on the entire surface. After this, as shown in FIG. 2B, the etching surface is exposed by exposure and development, and then etching is performed as shown in FIG. 2C, and thus, as shown in FIG. A half diffraction grating of -27a is obtained.

【0011】第3の方法としては図3に模式的に示すよ
うに、この(a)図のように、先ず2光束干渉露光法に
よりフォトレジストマスク 3−29を基板 3−30上に
形成し、次に(b)図のようにその上にECR−CVD
によりSiNx膜を成長させて、(c)図のようにエッ
チング時間を調整することによって、レジストとSiN
xによるエッチングマスク 3−29, 3−32を作成
し、このマスクを用いてエッチングを行い、(d)図に
示すように周期が最初に形成したフォトレジストマスク
の半分の回折格子 3−33を作成する方法がある。
As a third method, as schematically shown in FIG. 3, a photoresist mask 3-29 is first formed on a substrate 3-30 by a two-beam interference exposure method as shown in FIG. , And then ECR-CVD on it as shown in FIG.
The SiNx film is grown by the method described above, and the etching time is adjusted as shown in FIG.
Etching masks 3-29, 3-32 by x are formed, etching is performed using this mask, and as shown in FIG. 3D, a diffraction grating 3-33 that is half of the photoresist mask with the first period is formed. There is a way to create.

【0012】作製された回折格子の上にウエファ積層構
造を作製することは、半導体技術、レーザの閾値電流密
度の改善のためには極めて重要な技術である。超格子構
造を用いた半導体装置は従来のものに比較し低閾値電流
の半導体レーザや高速動作のトランジスターが可能とな
るので注目されており、現在検討されている超格子構造
としては1次元量子井戸構造(量子薄膜)が主流であ
り、これを利用した半導体レーザについては下記の文献
に記されている。
Fabricating a wafer laminated structure on the fabricated diffraction grating is a very important technique for improving the semiconductor technology and the threshold current density of a laser. A semiconductor device using a superlattice structure has attracted attention because it enables a semiconductor laser with a lower threshold current and a transistor operating at higher speed than conventional ones. One of the superlattice structures currently under study is a one-dimensional quantum well. The structure (quantum thin film) is the mainstream, and a semiconductor laser using this is described in the following documents.

【0013】Tsaug, T. W. : "Extremely Low Threshol
d (AlGa) As Modified Multi-Quantum Well Heterostru
ct Lasers Grown by Molecular Beam Epitaxy"Appl. Ph
ys. Lett., 39, p786-788 ( 1981 ) 1次元量子井戸構造に対し、2次元量子井戸構造(量子
細線)、3次元量子井戸構造(量子箱)と高次元化して
ゆくと、さらにすぐれた特徴を有するデバイスの作製が
可能となることが予想されている。
Tsaug, TW: "Extremely Low Threshol
d (AlGa) As Modified Multi-Quantum Well Heterostru
ct Lasers Grown by Molecular Beam Epitaxy "Appl. Ph
ys. Lett., 39, p786-788 (1981) Compared to the one-dimensional quantum well structure, the two-dimensional quantum well structure (quantum wire) and the three-dimensional quantum well structure (quantum box) become higher dimensional. It is expected that it will be possible to manufacture a device having the above characteristics.

【0014】図4の(a)図、(b)図、(c)図はそ
れぞれ1次元、2次元、3次元量子井戸構造の概念図で
あり、図5の(a)図、(b)図、(c)図は図4の
(a)図、(b)図、(c)図に示した電子の状態密度
とエネルギーの関係を示す図である。
FIGS. 4 (a), 4 (b) and 4 (c) are conceptual views of the one-dimensional, two-dimensional and three-dimensional quantum well structures, respectively, and FIGS. 5 (a) and 5 (b). 4C is a diagram showing the relationship between the density of states of electrons and the energy shown in FIGS. 4A, 4B, and 4C.

【0015】バルク結晶の状態における1次元、2次
元、3次元の構造の状態密度は図4の(a)図の破線が
示すような放物線形をしているが、1次元、2次元、3
次元量子井戸構造においてはこの状態密度が、それぞれ
階段状、のこぎり歯状、パルス列状に変化している。こ
のような状態密度の変化に伴なって光吸収や発光状態も
順次変化してゆくことが予想されるため、極めて低い閾
値の半導体レーザが期待される。さらに、2次元量子井
戸構造では散乱機構の単純化により電子移動度が高まる
ことも予想されており、電子デバイスの面からも重要と
なる。
The density of states of the one-dimensional, two-dimensional and three-dimensional structures in the bulk crystal state is parabolic as shown by the broken line in FIG.
In the dimensional quantum well structure, the density of states changes in a staircase shape, a sawtooth shape, and a pulse train shape, respectively. Since it is expected that the light absorption and the light emission state will also change sequentially with such a change in the state density, a semiconductor laser having an extremely low threshold value is expected. Further, in the two-dimensional quantum well structure, it is expected that the electron mobility will be increased by simplifying the scattering mechanism, which is important from the aspect of electronic devices.

【0016】2次元量子井戸構造を用いた量子細線レー
ザや3次元量子井戸構造を用いた量子箱レーザでは上記
のような特徴から以下のような効果が期待されている。 (1)低い閾値レーザ。 (2)閾値電流の温度依存性が小さい。 (3)緩和振動共振周波数の増大による高速度変調の向
上。 (4)発振スペクトル線幅が狭まる。
The quantum wire laser using the two-dimensional quantum well structure and the quantum box laser using the three-dimensional quantum well structure are expected to have the following effects due to the above features. (1) Low threshold laser. (2) The temperature dependence of the threshold current is small. (3) Improvement of high-speed modulation by increasing relaxation oscillation resonance frequency. (4) The line width of the oscillation spectrum is narrowed.

【0017】以上のように量子化の次元を上げることは
さまざまな長所を有するものであるが、その作製方法は
いまだ開発段階である。現在検討されている作製方法と
しては、特開昭63−94615号公報に記載されてい
る図6の(a)〜(d)図に示す方法が主流となってい
る。ここに図6、図7を参照して極めて模式的にその作
製法の原理を説明する。
As described above, increasing the dimension of quantization has various advantages, but its manufacturing method is still in the development stage. As a manufacturing method currently being studied, the method shown in FIGS. 6A to 6D described in JP-A-63-94615 is mainly used. Here, the principle of the manufacturing method will be described extremely schematically with reference to FIGS. 6 and 7.

【0018】図6の(a)図において(100)面を表
面に持つ基板を(011)方向に数度傾ける。このよう
に傾いた面は(100)面と(011)面の組み合わせ
で考えられ、131は(100)面であって、133は
(011)面である。今AlAs分子132が131の
結晶表面(100)上に飛来したとする。その時このA
lAs分子132は(100)表面上では不安定である
ため、再蒸発するか、または(100)表面を移動す
る。ところが133の(011)面が存在するステップ
に分子が来ると、AlAs分子132はこのステップに
吸着され、結晶面を形成する。同(b)図に示すよう
に、AlAs分子132は次々にこのステップに吸収さ
れて結晶となる。ここで供給する分子を変える。まず同
(c)図に示すようにAlAs分子132の供給を止め
て、(100)面の半分までAlAs層を形成させる。
次に供給分子をGaAs分子134に変えて供給すると
同様な原理による成長が行なわれ、同(d)図に示すよ
うに横方向にGaAsとAlAs領域が作製される。こ
の、各層の膜厚135は一原子層単位で形成される。
(c)、(d)図に示した成長をくり返し行なうことに
より、図7に示すようにGaAs層141とAlAs層
142とが縦方向に伸びた結晶構造とすることが可能で
ある。このように傾けた基板を用い、供給する分子種を
変えることによって量子細線を作製することが出来る。
In FIG. 6A, the substrate having the (100) plane as its surface is tilted in the (011) direction by several degrees. Such an inclined surface can be considered as a combination of the (100) surface and the (011) surface, where 131 is the (100) surface and 133 is the (011) surface. Now, it is assumed that the AlAs molecules 132 fly onto the crystal surface (100) of 131. Then this A
Since the 1As molecule 132 is unstable on the (100) surface, it re-evaporates or migrates on the (100) surface. However, when the molecule comes to the step where the (011) plane of 133 exists, the AlAs molecule 132 is adsorbed at this step to form a crystal plane. As shown in FIG. 7B, the AlAs molecules 132 are sequentially absorbed in this step and become crystals. Change the molecule supplied here. First, as shown in FIG. 6C, the supply of AlAs molecules 132 is stopped, and an AlAs layer is formed up to half of the (100) plane.
Next, when the supply molecules are changed to the GaAs molecules 134 and supplied, growth is performed according to the same principle, and GaAs and AlAs regions are formed in the lateral direction as shown in FIG. The film thickness 135 of each layer is formed in units of one atomic layer.
By repeating the growth shown in FIGS. 7C and 7D, it is possible to form a crystal structure in which the GaAs layer 141 and the AlAs layer 142 extend in the vertical direction as shown in FIG. A quantum wire can be produced by using a substrate tilted in this way and changing the supplied molecular species.

【0019】一方結晶成長の方法については以下に詳述
する。
On the other hand, the method of crystal growth will be described in detail below.

【0020】半導体中のキャリアーである電子や正孔を
1次元の狭い空間に閉じ込めた量子細線やその量子細線
が周期的に配列された2次元超格子にはバルクの半導体
結晶とは異なる新しい電子物性、光物性が出現すること
が予測されている。例えば量子細線を半導体レーザーの
活性層に用いると、レーザー発振の閾値電流を低くする
ことが可能であり、しかも温度変化に対して安定して鋭
い発光スペクトルが得られる。また量子細線中では電子
の移動度が約107 〜108 cm/V・secにも達す
るから、高速移動度トランジスタ(HEMT)と同様な
高速性をもつ電界効果トランジスタ(FET)や特異な
機能素子への応用が期待されている。
Quantum wires in which electrons and holes, which are carriers in a semiconductor, are confined in a one-dimensional narrow space and two-dimensional superlattices in which the quantum wires are periodically arranged are new electrons different from bulk semiconductor crystals. It is predicted that physical properties and optical properties will appear. For example, when quantum wires are used for the active layer of a semiconductor laser, the threshold current for laser oscillation can be lowered, and moreover, a sharp emission spectrum can be stably obtained against temperature changes. In addition, since the mobility of electrons in quantum wires reaches about 10 7 to 10 8 cm / V · sec, a field-effect transistor (FET) having a high-speed property similar to a high-speed mobility transistor (HEMT) or a unique function. It is expected to be applied to devices.

【0021】これらの理由から量子細線や2次元超格子
を作製する試みが近年盛んに行われるようになってき
た。1次元方向の量子閉じ込めに関しては、現在MBE
法を初めとする薄膜形成技術により精度良く作製するこ
とが可能となっている。これに対して2次元方向にキャ
リアーを閉じ込める量子細線を作製するためには、膜厚
方向に加えて面内方向でもエネルギーバンドを変調さ
せ、バンドの井戸に相当する領域を障壁の領域中に閉じ
込めるなんらかの手段が必要となる。量子細線や2次元
超格子の作製する手段として現在までに提案、検討され
た方法は以下の3種類に分類される。
For these reasons, attempts to produce quantum wires and two-dimensional superlattices have become popular in recent years. Regarding quantum confinement in the one-dimensional direction, currently MBE
It is possible to manufacture with high precision by the thin film forming technology including the method. On the other hand, in order to fabricate a quantum wire that confine carriers in a two-dimensional direction, the energy band is modulated not only in the film thickness direction but also in the in-plane direction, and the region corresponding to the band well is confined in the barrier region. Some means is needed. The methods proposed and studied so far as methods for producing quantum wires and two-dimensional superlattices are classified into the following three types.

【0022】(従来例1) GaAsの井戸領域を面内
方向に閉じ込めるための界面を形成する手段としてリソ
グラフィーやエッチングなどの微細加工技術を直接利用
する方法。
(Prior Art Example 1) A method of directly utilizing a fine processing technique such as lithography or etching as a means for forming an interface for confining a GaAs well region in an in-plane direction.

【0023】(従来例2) あらかじめ凹凸が形成され
たGaAsの(001)OFF基板上にGaAs井戸層
とAlGaAs障壁層を有機金属気相エピタキシ−(M
OVPE)法を用いて成長させる。その際に結晶方位に
依存する成長速度の差を利用して、V溝の底やノコギリ
刃形状の段差部に量子細線を形成する方法。
(Prior art example 2) A GaAs well layer and an AlGaAs barrier layer are formed on a (001) OFF substrate of GaAs on which irregularities are formed in advance, by using a metalorganic vapor phase epitaxy (M
OVPE) method is used for the growth. At that time, a quantum wire is formed at the bottom of the V-groove or a step portion of a saw blade shape by utilizing the difference in growth rate depending on the crystal orientation.

【0024】(従来例3) (001)面からわずかに
傾いた表面方位をもつGaAs基板上にMBE成長させ
る場合において成長条件を選ぶならば、結晶の成長が原
子ステップの移動によって進行することを利用する。そ
の際、1原子層が形成される時間間隔より短い時間でG
aAsとAlGaAsを交互に成長させることにより量
子細線構造を形成する方法。
(Prior Art Example 3) If growth conditions are selected in the case of MBE growth on a GaAs substrate having a surface orientation slightly tilted from the (001) plane, crystal growth proceeds by movement of atomic steps. To use. At that time, in a time shorter than the time interval for forming one atomic layer, G
A method of forming a quantum wire structure by alternately growing aAs and AlGaAs.

【0025】[0025]

【発明が解決しようとする課題】以上に述べた短波長
(λ=0.8μm)DFB,DBR半導体レーザ用の1
次回折格子(周期Λ=130nm以下)の作成方法に次
のような問題があった。
SUMMARY OF THE INVENTION 1 for the short wavelength (λ = 0.8 μm) DFB and DBR semiconductor lasers described above.
The following problems have been encountered in the method of forming the next-order diffraction grating (period Λ = 130 nm or less).

【0026】第1の方法では、液体やその容器などに起
因する散乱や多重反射のために露光用ビームの光波面が
乱れたり、装置の振動や空気の揺らぎの影響を受け易く
て、回折格子の精度が悪くなるという問題がある。
In the first method, the light wavefront of the exposure beam is disturbed due to scattering and multiple reflections caused by the liquid and its container, and is easily affected by the vibration of the apparatus and the fluctuation of air, and the diffraction grating However, there is a problem that the accuracy of is deteriorated.

【0027】第2の方法では、エッチングマスクとして
フォトレジスト膜を全面に形成した後の露光/現像条件
の制御が厳しく、面内でばらつきが生じて回折格子の精
度が悪くなる。また、第2のエッチング時にウエットエ
ッチングを用いると、回折格子形状の不整が生じるとい
う問題がある。
In the second method, the exposure / development conditions are strictly controlled after the photoresist film is formed on the entire surface as an etching mask, and variations occur in the surface, which deteriorates the accuracy of the diffraction grating. Further, if wet etching is used in the second etching, there is a problem in that the diffraction grating shape becomes irregular.

【0028】第3の方法では、レジスト上のSiNx膜
と基板上のSiNx膜のエッチング条件の制御が難し
い。また、エッチング時、ドライエッチングならばエッ
チングマスクがレジストとSiNx膜の2種類の材料で
形成されているため、エッチングガスに対する耐性に差
が生じ回折格子形状の不整、深さや寸法の精度が悪くな
るという問題がある。
In the third method, it is difficult to control the etching conditions for the SiNx film on the resist and the SiNx film on the substrate. Further, during etching, if the etching is dry etching, the etching mask is made of two kinds of materials, that is, a resist and a SiNx film, so that there is a difference in resistance to the etching gas and the diffraction grating shape becomes irregular, and the depth and dimension accuracy deteriorates. There is a problem.

【0029】従って、本発明は、上記問題点に鑑み、新
たな原理にもとづいて、短波長(λ=0.8μm)DF
B,DBRレーザ等の1次回折用などの極微細な回折格
子も形成できる回折格子作成方法を提供することを目的
とする。
Therefore, in view of the above-mentioned problems, the present invention is based on a new principle and has a short wavelength (λ = 0.8 μm) DF.
It is an object of the present invention to provide a method for producing a diffraction grating capable of forming an extremely fine diffraction grating for first-order diffraction of B, DBR lasers, etc.

【0030】上述した従来の2次元量子井戸構造の作製
方法はAlAsやGaAsのもつ周期性を利用するもの
であるが、AlAs,GaAsの各層は必ずしも一定の
周期性を示すわけではなく、図7の141、142のよ
うにGaAs層、AlAs層の幅は成長基板面内でばら
つくことが多い。この場合には作製される2次元量子井
戸構造の量子細線がばらつき、量子準位および状態密度
も大きく劣化するという問題がある。
The above-described conventional method for manufacturing a two-dimensional quantum well structure utilizes the periodicity of AlAs and GaAs, but each layer of AlAs and GaAs does not necessarily exhibit a constant periodicity, and FIG. 141 and 142, the widths of the GaAs layer and AlAs layer often vary within the growth substrate plane. In this case, there is a problem that the quantum wires of the two-dimensional quantum well structure produced vary, and the quantum level and the density of states are greatly deteriorated.

【0031】本発明は上述のような問題が生じることな
く2次元の量子細線を持ったレーザが再現よく作製でき
る方法を提供するものである。また量子細線の作製法と
して上記の従来例にはいくつかの問題点が存在した。従
来例1では微細加工に伴う結晶欠陥の発生や不純物混入
の影響から逃れることが困難である。さらに量子細線が
高密度に配列された2次元超格子をこの方法で実現する
ことは不可能に近い。
The present invention provides a method for producing a laser having a two-dimensional quantum wire with good reproducibility without causing the above-mentioned problems. In addition, there are some problems in the above-mentioned conventional example as a method of manufacturing a quantum wire. In Conventional Example 1, it is difficult to escape from the influence of the generation of crystal defects and the inclusion of impurities accompanying the fine processing. Furthermore, it is almost impossible to realize a two-dimensional superlattice in which quantum wires are densely arranged by this method.

【0032】従来例2では1回の成長過程の中で量子細
線構造を形成するために結晶欠陥の発生や不純物混入の
恐れがほとんどない点では従来例1よりもすぐれた方法
であると言える。しかし、従来例2の問題は作製しうる
細線の寸法や形状に大きな制約があるために、キャリア
ーの閉じ込めが十分には発現されにくいことである。そ
の上、基板加工の寸法などに依存して量子細線を作製し
うる領域が極めて限定される。そのために2次元超格子
を作製することは困難である。
It can be said that the prior art example 2 is superior to the prior art example 1 in that the quantum wire structure is formed in one growth process and therefore there is almost no risk of occurrence of crystal defects and inclusion of impurities. However, the problem of Conventional Example 2 is that the confinement of carriers is not sufficiently exhibited because the size and shape of the thin wire that can be manufactured are greatly restricted. Moreover, the region in which the quantum wires can be produced is extremely limited depending on the dimensions of the substrate processing. Therefore, it is difficult to manufacture a two-dimensional superlattice.

【0033】従来例3は原理的には量子細線を高密度に
配列できる方法であるが、しかしこの手法は原子の表面
拡散過程に伴う統計的ばらつきや揺らぎの影響を本質的
に受けやすいために、今まで良質な2次元超格子の作製
は実現されていない。
The prior art example 3 is a method in which quantum wires can be arranged at a high density in principle, but since this method is essentially susceptible to statistical variations and fluctuations accompanying the surface diffusion process of atoms, Until now, fabrication of a good quality two-dimensional superlattice has not been realized.

【0034】このような従来例の問題を克服し本発明が
解決しようとしているこの部分の課題は下記の4項目で
ある。
The problems of this part which the present invention is trying to solve by overcoming the problems of the conventional example are the following four items.

【0035】1.結晶欠陥の発生や不純物の混入が生じ
ないこと。
1. No crystal defects or impurities are mixed in.

【0036】2.十分な量子閉じ込め効果が生じる寸
法、形状に細線を形成できること。
2. Being able to form fine wires with a size and shape that will produce a sufficient quantum confinement effect.

【0037】3.原子拡散に伴う揺らぎの影響を受けず
に、再現性が良く、かつ細線形態を形成できること。
3. Reproducibility is good and fine line morphology can be formed without being affected by fluctuations caused by atomic diffusion.

【0038】4.量子細線を高密度に配列することが可
能であって、しかもその配列の自由度が高いこと。
4. Quantum wires can be arranged in high density and the degree of freedom of arrangement is high.

【0039】[0039]

【課題を解決するための手段】本発明は閃亜鉛鉱型結晶
構造を有した半導体であって、{111}面あるいは
{110}面から0.5〜15度の範囲で傾いた面方位
を持つ半導体基板において、異なる指数を持つ面で囲ま
れた第1の周期形状の上にエピタキシャル成長を行う際
に、成長の面方位によって成長速度が異なることを利用
して新たな周期を持つ第2の周期構造を形成するもので
ある。
The present invention is a semiconductor having a zinc blende type crystal structure, and has a plane orientation inclined from the {111} plane or the {110} plane within a range of 0.5 to 15 degrees. When the epitaxial growth is performed on the first periodic shape surrounded by the planes having different indices in the semiconductor substrate having the second periodical pattern having the new periodicity by utilizing the difference in the growth rate depending on the plane orientation of the growth. It forms a periodic structure.

【0040】ここで{111}面は(111)面、(1
*** )面、(11** )面などの等価な面を含
み、{110}面は(11* 0)面と(110)面を含
むものとする。ただし、記号1* はここでは特に数字1
の上に−を記載するミラ−の記号の代用とする。以下に
この記載方法を適用する。
Here, the {111} plane is the (111) plane, and the (1
Equivalent planes such as the * 1 * 1 * ) plane and the (11 * 1 * ) plane are included, and the {110} plane is assumed to include the (11 * 0) plane and the (110) plane. However, the symbol 1 * is especially the number 1 here.
Is used as a substitute for the mirror symbol in which-is written. This description method is applied below.

【0041】またGaAsを代表とする閃亜鉛鉱構造を
有する半導体基板上で{111}面あるいは{110}
面から0.5〜15°の範囲で傾いた面方位を持つ半導
体基板上に周期的な凹凸を形成し、その凹凸面上にエピ
タキシャル成長させることにより、面方位による成長速
度の差を利用し安定して量子細線を作製する方法を提供
するものである。
On a semiconductor substrate having a zinc blende structure represented by GaAs, {111} planes or {110} planes are formed.
By forming periodic irregularities on a semiconductor substrate having a plane orientation tilted in the range of 0.5 to 15 ° from the plane and epitaxially growing on the irregular plane, the growth rate difference due to the plane orientation is utilized to stabilize. To provide a method for producing a quantum wire.

【0042】更に本発明は{111}面あるいは{11
0}面から0.5〜15度の範囲で傾いた面方位を持つ
半導体基板表面に回折格子を形成し、その回折格子の上
に半導体結晶を成長させる方法を提供するものである。
Further, the present invention has a {111} plane or a {11} plane.
The present invention provides a method of forming a diffraction grating on the surface of a semiconductor substrate having a plane orientation inclined in the range of 0.5 to 15 degrees from the 0} plane and growing a semiconductor crystal on the diffraction grating.

【0043】より具体的には次のステップから成る。図
8(a) を用いて模式的に説明する。第1のステップは閃
亜鉛鉱型結晶構造を有した半導体であって、{111}
面から0.5〜15度の範囲で傾いた面方位を持つ半導
体基板51において該基板表面にピッチΛ1 の回折格子
52を形成し、その52上に固体ソースのMBE法また
は一部の分子線源をガス化したGSMBE法あるいは分
子線源に有機金属を用いるMOMBE法、あるいはすべ
ての分子線源をガス化したCBE法によって半導体結晶
を成長させる。このときの成長条件として{111}面
での成長速度が遅くなるような条件を選択することであ
り、{111}面からなるテラス面と{100}面から
なる段差部からなるノコギリ形状53を形成することが
できる。更に図8の(b)図を用いて説明する。{11
0}面から0.5〜15度の範囲で傾いた面方位を持つ
半導体基板54において該基板表面にピッチΛ1 1の回
折格子55を形成し、その55上に固体ソースのMBE
法または一部の分子線源をガス化したGSMBE法ある
いは分子線源に有機金属を用いるMOMBE法、あるい
はすべての分子線源をガス化したCBE法によって半導
体結晶を成長させる。その成長条件として{110}面
での成長速度が遅くなる条件を選択することであり、
{110}面からなるテラス面と{113}面あるいは
{114}面からなる段差部からなるノコギリ形状56
を形成することができる。
More specifically, it comprises the following steps. A schematic description will be given with reference to FIG. The first step is a semiconductor having a zinc blende type crystal structure, {111}
In a semiconductor substrate 51 having a plane orientation inclined in the range of 0.5 to 15 degrees from the plane, a diffraction grating 52 having a pitch Λ 1 is formed on the substrate surface, and a solid source MBE method or a part of molecules is formed on the diffraction grating 52. A semiconductor crystal is grown by the GSMBE method in which the radiation source is gasified, the MONBE method in which an organic metal is used for the molecular beam source, or the CBE method in which all the molecular beam sources are gasified. The growth condition at this time is to select a condition such that the growth rate on the {111} plane is slow, and the sawtooth shape 53 including the terraced surface formed of the {111} surface and the stepped portion formed of the {100} surface is formed. Can be formed. Further description will be made with reference to FIG. {11
The diffraction grating 55 having the pitch Λ 1 1 is formed on the surface of the semiconductor substrate 54 having a plane orientation inclined in the range of 0.5 to 15 degrees from the 0} plane, and the solid source MBE is formed on the diffraction grating 55.
Method, a GSMBE method in which part of the molecular beam source is gasified, a MOMBE method in which an organic metal is used as the molecular beam source, or a CBE method in which all molecular beam sources are gasified to grow a semiconductor crystal. The growth condition is to select a condition that the growth rate on the {110} plane becomes slow,
Sawtooth shape 56 consisting of terraces made of {110} planes and stepped portions made of {113} planes or {114} planes
Can be formed.

【0044】このノコギリ形状のピッチΛ2 はその下に
形成されているグレーティングのピッチΛ1 のみで決ま
り、必ずΛ2 =Λ1 となる。
The pitch Λ 2 of the sawtooth shape is determined only by the pitch Λ 1 of the grating formed below it, and Λ 2 = Λ 1 is always satisfied.

【0045】次のステップとして、このノコギリ形状5
3,56の上に、テラス面での成長速度が遅く、かつ段
差面での成長速度が速い、すなわち最初の傾きの面の成
長と同じ成長条件での成長を行うと、段差が消滅するこ
となく表面の形状を保持したまま、あるいは少なくとも
表面の周期的な構造を保持したまま主に横方向の成長が
進行する。
As a next step, this sawtooth shape 5
If the growth rate on the terrace surface is slow and the growth rate on the step surface is fast on 3,56, that is, if the growth is performed under the same growth conditions as the growth of the surface having the first inclination, the step disappears. Without maintaining the surface shape, or at least maintaining the periodic structure of the surface, the growth mainly in the lateral direction proceeds.

【0046】成長中の分子線の比率を変える、あるいは
種類を変えることによって、図9の(a)図に示したよ
うな第2の周期構造63を作製することも可能である。
分子線の変更の方法は通常では量子井戸を作製する際に
用いられるようにシャッタの開閉、バルブの開閉等によ
って行えばよい。
It is also possible to produce the second periodic structure 63 as shown in FIG. 9A by changing the ratio of the growing molecular beam or changing the type.
The molecular beam can be changed by opening / closing a shutter, opening / closing a valve, or the like, which is usually used when manufacturing a quantum well.

【0047】変調する時間を段差面がΛ2 距離にわたっ
て成長するのにかかる時間よりも短い時間の中で適当に
選ぶことによって、周期構造の周期を回折格子のピッチ
の整数倍になるようにすることもできる。
The period of the periodic structure is made to be an integral multiple of the pitch of the diffraction grating by appropriately selecting the modulation time within the time shorter than the time required for the step surface to grow over the Λ 2 distance. You can also

【0048】以上述べたようにして、傾斜領域を持つ基
板状に特定の周期をもつ、例えば形成された第1の周期
構造に対して1/Nの周期を持つ、第2の周期構造を成
長時に作り込むこともできる。このようにして形成され
た周期構造のステップ部分の大きさ65を30nm以下
にすることにより量子効果をもたせることができる。さ
らにこの部分の大きさは11に示した回折格子のピッチ
と(111)面および(110)等の傾斜角で決定され
る。
As described above, a second periodic structure having a specific period is formed on a substrate having an inclined region, for example, a second periodic structure having a period of 1 / N with respect to the formed first periodic structure is grown. It can be made at times. A quantum effect can be provided by setting the size 65 of the step portion of the periodic structure thus formed to 30 nm or less. Further, the size of this portion is determined by the pitch of the diffraction grating shown in 11 and the tilt angles of the (111) plane and (110) plane.

【0049】回折格子を形成する基板と第1の成長層の
屈折率を同一にするならば、もとの回折格子は等価屈折
率の変調には寄与しない。この導波路の等価屈折率は図
9の(b)に示したように、元の回折格子のピッチに対
して低次の、すなわち波長の短いピッチで変調された成
分を大きく持つという特徴をもつことにもなる。一般に
半導体の結晶成長速度はその結晶面により異なる。例え
ば本件の場合には、(111)面は(100)面に比較
し成長速度は遅く、さらに(110)は(111)面よ
りも遅い。詳細については、Journal of Applied Physi
cs Vol.64, 3522(1988)の文献を参照して頂きたい。
If the refractive index of the substrate forming the diffraction grating is the same as that of the first growth layer, the original diffraction grating does not contribute to the modulation of the equivalent refractive index. As shown in FIG. 9B, the equivalent refractive index of this waveguide is characterized in that it has a large component having a low order with respect to the pitch of the original diffraction grating, that is, a component modulated at a short wavelength pitch. It will also happen. Generally, the crystal growth rate of a semiconductor differs depending on its crystal plane. For example, in the present case, the (111) plane has a slower growth rate than the (100) plane, and the (110) plane is slower than the (111) plane. For more information, see Journal of Applied Physi
Please refer to the article of cs Vol.64, 3522 (1988).

【0050】図10を用いて説明する。先ず第一のステッ
プとして閃亜鉛鉱構造を有した半導体であって{11
1}面方位を持つ半導体基板の上に{111}面から
0.5〜15度の範囲で傾斜した面方位をもつ第1の周
期構造を形成する。この基板表面にピッチ10−5の緩や
かな周期を形成する。ここでは周期10−5が100μm
であって、なるべく平坦な部分、例えば10− 03のよう
な部分が生じないように周期構造10−6を形成する。図
中10−1が{111}面、{110}面から0.5〜1
5度傾斜した面である。
This will be described with reference to FIG. As a first step, a semiconductor having a zinc blende structure, {11
A first periodic structure having a plane orientation inclined from a {111} plane by 0.5 to 15 degrees is formed on a semiconductor substrate having a 1} plane orientation. A gentle cycle with a pitch of 10-5 is formed on the surface of the substrate. Here, the cycle 10-5 is 100 μm
Therefore, the periodic structure 10-6 is formed so that a flat portion, for example, a portion such as 10-03 is not produced. In the figure, 10-1 is the {111} plane, and 0.5 to 1 from the {110} plane.
It is a surface inclined by 5 degrees.

【0051】その後にこの緩やかな周期構造10−6の上
に短周期構造を作製する。図11によって説明する。作製
法としては干渉露光法を採用する。この作製法について
は実施例中に記載する。図11中11−7は干渉露光によっ
て作製されたピッチ240nmの短周期構造である。こ
こでは11−6が長周期構造を成している構造になってい
る。
After that, a short period structure is formed on the gentle periodic structure 10-6. This will be described with reference to FIG. An interference exposure method is adopted as a manufacturing method. This manufacturing method will be described in Examples. In FIG. 11, 11-7 is a short-period structure with a pitch of 240 nm, which is manufactured by interference exposure. Here, 11-6 has a long-period structure.

【0052】次のステップとしては、その周期構造の上
に固体ソ−スのMBE法、または一部の分子線源をガス
化したGSMBE法あるいは分子線源に有機金属を用い
るMOMBE法あるいは全ての分子線源をガス化したC
BE法によって半導体結晶を成長させる。図12は図11中
の11−6付近を拡大したものである。長周期構造の斜面
部分に形成された短周期構造の上に半導体膜12−8を成
長させる。その時の成長条件としては斜面部分の面、多
分{114}または{113}より平面{111}面で
の成長速度が遅くなるなるような条件を選ぶことによっ
て{111}面から成るテラスと{100}面の段差部
分から成る鋸形状12−11を形成することができる。こ
のうえに同様な条件で12−8とは異なる材質の半導体膜
12−9を成長させる。同様に{111}面での成長が遅
くなるような条件を選ぶ。その結果12−9の半導体膜は
ステップ部分に集中するような構造になる。同様に12−
9の半導体膜とは異なる12−10の半導体膜を堆積する。
この時の条件も{111}面の成長速度が遅い条件を選
定した。この繰返しにより組成の異なる領域を部分的に
形成できる。本特許の一つの重要なポイントは成長速度
の異なる面を形成することである。
As the next step, the MBE method of the solid source on the periodic structure, the GSMBE method in which a part of the molecular beam source is gasified, the MONBE method using an organic metal for the molecular beam source, or all of them is used. Molecular gas source gasified C
A semiconductor crystal is grown by the BE method. FIG. 12 is an enlarged view of the vicinity of 11-6 in FIG. A semiconductor film 12-8 is grown on the short period structure formed on the sloped portion of the long period structure. At that time, the growth conditions are selected such that the growth rate on the plane {111} plane is slower than that of the inclined surface, {114} or {113}, and the terraces composed of {111} planes and {100} It is possible to form a sawtooth shape 12-11 composed of a step portion of the {} plane. In addition, under the same conditions, a semiconductor film made of a material different from 12-8
Grow 12-9. Similarly, a condition is selected such that the growth on the {111} plane becomes slow. As a result, the semiconductor film 12-9 has a structure that concentrates on the step portion. Similarly 12-
A semiconductor film 12-10 different from the semiconductor film 9 is deposited.
The conditions at this time were also selected such that the growth rate of the {111} plane was slow. By repeating this, regions having different compositions can be partially formed. One important point of this patent is to form surfaces with different growth rates.

【0053】あるいは{110}の面基板を用いて同様
に0.5〜15度の範囲内で傾斜した表面を形成してい
てもよい。重要な点は成長しにくい面と成長の早い面を
形成すること、かつ形成しやすい面の一辺の長さを容易
に制御できること、成長速度の早い面に比較して成長速
度の遅い面の幅が長いことこれらを満足させるならば、
容易に半導体領域を部分的にでも閉じ込めることができ
る。成長法としては、固体ソ−スのMBE法、または一
部の分子線源をガス化したGSMBE法、分子線源に有
機金属を用いるMOMBE法、あるいは全ての分子線源
をガス化したCBE法によって半導体結晶を成長させ
る。
Alternatively, a {110} plane substrate may similarly be used to form an inclined surface within the range of 0.5 to 15 degrees. The important points are to form a difficult-to-grow face and a fast-growth face, and to easily control the length of one side of the easy-to-form face, and the width of the slow-growth face compared to the fast-growth face. Is long enough to satisfy these,
The semiconductor region can be easily confined even partially. As a growth method, a solid source MBE method, a GSMBE method in which a part of the molecular beam source is gasified, a MOMBE method in which an organic metal is used as the molecular beam source, or a CBE method in which all the molecular beam sources are gasified To grow a semiconductor crystal.

【0054】具体的な一例を述べる。図13は図11(a)
を部分的に拡大した図である。13−21は干渉露光によ
って作製した回折格子である。ピッチΛ1 は240nm
である。この上にエピタキシャル法によって膜13−22
を積層すると、ステップ(100)面の幅B、13−22
は次の式で決定される。
A specific example will be described. Fig. 13 shows Fig. 11 (a).
It is the figure which partially expanded. 13-21 is a diffraction grating manufactured by interference exposure. Pitch Λ 1 is 240 nm
Is. A film 13-22 is formed on this film by an epitaxial method.
Are stacked, the width (B) of the step (100) plane, 13-22
Is determined by the following formula.

【0055】B=Λ1 tanθ/sinθ’ ここでθは{111}面および{110}面からの傾斜
角度、上述した0.5から15°の値のいずれかの値で
ある。θ’は、ここでは{111}面とステップを形成
している面(100)面がなす角54.7°である。基
板の傾斜角θを5°程度とすると、ステップに形成され
る(100)の幅B、13−22は26nmとなる。この
上にエピタキシャル成長により結晶を成長させる。例え
ば、MBE法を用いたGaAs上のGaAs膜の成長で
あれば、(111)面と(100)面との成長速度の差
は約3倍であって、(111)面の方が速い。 図14
に示したようにステップには14−31に示したような量
子井戸が形成される。ここでは(100)面上に14−3
2に示すように20nm程度積層した。この時14−33
に示すように(111)面上にはその約1/3である6
nmのGaAsが積層される。この14−32、14−33
の積層を繰り返しを図5に示した。供給材料を変えるこ
とにより容易に積層が可能である。
B = Λ 1 tan θ / sin θ ′ Here, θ is the inclination angle from the {111} plane and the {110} plane, which is one of the above-mentioned values of 0.5 to 15 °. Here, θ ′ is an angle of 54.7 ° formed by the (111) plane and the (100) plane forming the step. When the inclination angle θ of the substrate is about 5 °, the width B of the (100) formed in steps, 13-22, is 26 nm. A crystal is grown on this by epitaxial growth. For example, in the case of growing a GaAs film on GaAs using the MBE method, the difference in growth rate between the (111) plane and the (100) plane is about 3 times, and the (111) plane is faster. 14
In the step, the quantum well as shown in 14-31 is formed as shown in FIG. Here, 14-3 on the (100) plane
As shown in FIG. At this time 14-33
As shown in Fig. 6, it is about 1/3 of that on the (111) plane 6
nm GaAs is stacked. These 14-32, 14-33
FIG. 5 shows the repetition of the above lamination. Lamination can be easily performed by changing the feed material.

【0056】更に結晶成長の方法を記載する。まず{1
11}または{110}面から0.5〜15度傾斜した
半導体基板上に回折格子を形成し、その上にMBE法ま
たはGSMBE法により半導体結晶を成長させる。この
時の入射分子線の方向には特に制限はない。ただし、G
SMBE法は化学線エピタキシー(CBE)法、有機金
属分子線エピタキシー(MOMBE)法などとも呼ばれ
ているが、これらは全て同じ手法を意味している。
Further, the method of crystal growth will be described. First, {1
A diffraction grating is formed on a semiconductor substrate inclined by 0.5 to 15 degrees from the 11} or {110} plane, and a semiconductor crystal is grown thereon by the MBE method or the GSMBE method. The direction of the incident molecular beam at this time is not particularly limited. However, G
The SMBE method is also called a chemical beam epitaxy (CBE) method, a metalorganic molecular beam epitaxy (MOMBE) method, etc., but these all mean the same method.

【0057】一般に結晶の低指数面の方位に成長速度の
極小が存在するが、特に{111}面(または{11
0}面)は成長速度が非常に遅いため、上記の成長に伴
って表面には{111}面(または{110}面)のテ
ラスと、{111}面(または{110}面)とは異な
る面方位を有する段差から構成されるノコギリ刃形状が
形成される。
Generally, there is a minimum growth rate in the orientation of the low index plane of the crystal, but especially the {111} plane (or {11} plane)
Since the growth rate of the (0} plane) is very slow, a {111} plane (or {110} plane) terrace and a {111} plane (or {110} plane) are formed on the surface along with the above growth. A saw blade shape is formed that is formed by steps having different plane orientations.

【0058】この時、テラス面に対して垂直方向に計っ
た段差の高さSとテラス面に対して水平方向に計ったノ
コギリ刃の周期Tはグレーティングの周期Pと基板の傾
斜角aを用いて各々 S=P・sin(a) T=P・cos(a) と表される。
At this time, the height S of the step measured in the direction perpendicular to the terrace surface and the cycle T of the saw blade measured in the direction horizontal to the terrace surface use the cycle P of the grating and the inclination angle a of the substrate. And S = P · sin (a) and T = P · cos (a), respectively.

【0059】次に少なくとも1種類の分子線の方向をそ
の基板の法線方向から10度〜80度の範囲で傾けるこ
とにより、段差部からテラス面の途中まで該入射分子線
の影になる領域が形成される。このために段差凹部から
新たな結晶面が成長し平坦化する現象が抑制される。一
方、テラス面の成長速度は極端に遅く、そのために分子
をほとんど取り込まないので、表面に入射した分子は表
面拡散により段差部に到達して結晶に取り込まれるか、
あるいは真空相に離脱するかのいずれかがほとんどであ
り、テラス面で結晶化する割合は極わずかである。この
結果、段差は消滅せずに表面にはノコギリ刃形状が保持
されたまま残り、ほぼ定常的に横方向の成長が進行す
る。
Next, by inclining the direction of at least one kind of molecular beam in the range of 10 to 80 degrees from the normal direction of the substrate, a region where the incident molecular beam is shaded from the step portion to the middle of the terrace surface. Is formed. For this reason, the phenomenon that a new crystal plane grows from the stepped recess and is flattened is suppressed. On the other hand, the growth rate of the terrace surface is extremely slow, and therefore almost no molecules are taken in.Therefore, the molecules incident on the surface reach the step due to surface diffusion and are taken into the crystal,
Alternatively, most of them are released into the vacuum phase, and the ratio of crystallization on the terrace surface is extremely small. As a result, the step does not disappear and the sawtooth shape is retained on the surface, and the lateral growth proceeds almost constantly.

【0060】いま段差部の横方向成長速度をテラス面に
水平に計ってVsとし、テラス部のテラス面に対して垂
直方向の成長速度をVtとすると、表面のノコギリ刃形
状は基板水平方向から角度b方向に平行移動することに
なる。ここでbは b=a+tan-1(Vt/Vs) と表される。VtとVsの間にはVt<<Vsの関係が
成立しているので、角度bは角度aに近い値であり、ほ
ぼ横方向に成長が進行する。障壁に対応する半導体結晶
が上記のように定常的に横方向の成長をしている過程に
おいては井戸に対応する半導体結晶をt時間成長させ、
その後に再び障壁の半導体結晶を成長させると、井戸の
半導体結晶の断面は幅L=Vs・t、高さSの矩形領域
が非常に薄い幅d=Vt・tの幅で連結された構造とな
る。Sを表す上記の式より、この矩形の高さSは回折格
子の周期Pと基板方位aによって選択され、幅Lは時間
tによって正確に制御できる。その結果、微細な寸法を
持つ量子細線を精度良く作製することができる。また、
上記の成長過程を適当な周期で繰り返すことにより、量
子細線が高密度に配列された2次元超格子を形成するこ
とができる。ここで適当な周期とは例えば、Nを整数と
して、T/(N+1/2)で表される。
Now, assuming that the lateral growth rate of the step portion is horizontally measured on the terrace surface as Vs and the growth rate of the terrace portion in the direction perpendicular to the terrace surface is Vt, the sawtooth edge shape of the surface is from the substrate horizontal direction. It will translate in the direction of angle b. Here, b is represented as b = a + tan −1 (Vt / Vs). Since the relationship of Vt << Vs is established between Vt and Vs, the angle b is a value close to the angle a, and the growth progresses substantially in the lateral direction. In the process in which the semiconductor crystal corresponding to the barrier constantly grows laterally as described above, the semiconductor crystal corresponding to the well is grown for t hours,
After that, when the barrier semiconductor crystal is grown again, the cross section of the semiconductor crystal in the well has a structure in which rectangular regions having a width L = Vs · t and a height S are connected with a very thin width d = Vt · t. Become. From the above formula expressing S, the height S of this rectangle is selected by the period P of the diffraction grating and the substrate orientation a, and the width L can be accurately controlled by the time t. As a result, a quantum wire having a fine dimension can be manufactured with high accuracy. Also,
A two-dimensional superlattice in which quantum wires are densely arranged can be formed by repeating the above growth process at an appropriate cycle. Here, the appropriate period is represented by T / (N + 1/2), where N is an integer.

【0061】MOVPE法を用いた前記の従来例2で
は、一旦形成された段差の凹部から新たな結晶面が生成
するために、成長とともに段差が消滅し、その結果表面
が平坦化する。また、テラスが(001)面であるため
に、成長速度Vtが無視できない値をもつ。このために
量子細線構造は成長の一過程で形成されるのみであり、
該量子細線を高密度に配列することは不可能であった。
これに対し、本発明では段差が消滅しないで横方向に成
長するために、連続して量子細線を配列できることが特
徴である。
In the above-mentioned conventional example 2 using the MOVPE method, since a new crystal plane is generated from the recess of the step once formed, the step disappears with the growth, and as a result, the surface becomes flat. Further, since the terrace is the (001) plane, the growth rate Vt has a value that cannot be ignored. For this reason, the quantum wire structure is only formed in the process of growth,
It was impossible to arrange the quantum wires in high density.
On the other hand, the present invention is characterized in that quantum wires can be continuously arranged because the steps do not disappear and grow laterally.

【0062】[0062]

【実施例】実施例1 図15に本発明の実施例1として、ピッチ125nmの
1次回折格子を有するGaAs/AlGaAs系DFB
レーザ用ウェハの積層構造を示す。SiドープのGaA
s基板11は(111)A面から(100)面方向に5
度傾いた面を基板表面とするいわゆる傾斜基板である。
この上にSiドープGaAsのバッファ層12が0.5
μm形成され、その上にSiドープAl0.5 Ga0.5
sクラッド層15−13が1.5μm形成されている。
EXAMPLE 1 As Example 1 of the present invention in FIG. 15, a GaAs / AlGaAs DFB having a primary diffraction grating with a pitch of 125 nm.
The laminated structure of the laser wafer is shown. Si-doped GaA
The s substrate 11 is 5 in the (100) plane direction from the (111) A plane.
This is a so-called tilted substrate in which the inclined surface is the substrate surface.
On top of this, the buffer layer 12 of Si-doped GaAs is 0.5
μm formed, and Si-doped Al 0.5 Ga 0.5 A
The s clad layer 15-13 is formed with a thickness of 1.5 μm.

【0063】次に15−14は200nmの光閉じ込め領
域であるSiドープAly Ga1-yAsであり、このA
lの含有率yは0.5から徐々に変化し、活性層15−1
5の近くでは0.3に低下する。 活性層、多重量子井
戸はアンドープAl0.3 Ga 0.7 As10nmのバリア
層とアンドープGaAs6nmの井戸層との繰り返しか
ら構成される5つの量子井戸からなる。この上に上部の
光ガイド層15−16であるBeドープAl0.3 Ga0.7
As層を0.3μm形成する。この表面にレーザ干渉露
光法を用いて、ピッチ250nmのレジストパターンを
形成し、ドライエッチングによって2次回折格子15−1
7を形成する。このとき、格子の溝の方向は(110)
方向、すなわち、もとの基板の法線と(111)A面の
法線とで規定される平面に対して垂直とする。
Next, 15-14 is an optical confinement region of 200 nm.
Area Si-doped Aly Ga1-yAs, and this A
The content y of 1 gradually changes from 0.5, and the active layer 15-1
Near 5 it drops to 0.3. Active layer, multiple quantum well
Door is undoped Al0.3 Ga 0.7 As10nm barrier
Layer and undoped GaAs 6nm well layer repetition?
It consists of 5 quantum wells. On top of this
Be-doped Al that is the optical guide layer 15-160.3 Ga0.7 
An As layer having a thickness of 0.3 μm is formed. Laser interference dew on this surface
A resist pattern with a pitch of 250 nm is formed using the optical method.
Formed and dry-etched by secondary diffraction grating 15-1
Form 7. At this time, the groove direction of the lattice is (110)
Direction, that is, the normal of the original substrate and the (111) A plane
Normal to the plane defined by the normal.

【0064】MBEチャンバ内でレジスト残渣と表面の
酸化物を除去した後、この上にMBE法で上部光ガイド
層と同一組成のAl0.3 Ga0.7 As層15−18を平均
の膜厚で0.2μm成長させ、表面に周期的な段差を形
成する。段差は幅約225nmの(111)A面からな
るテラス面と、幅約38nmの(001)面からなるス
テップ面から構成される。繰り返しの周期は回折格子の
周期250nmと一致し、段差の高低差は約20nmと
なる。
After removing the resist residue and the oxide on the surface in the MBE chamber, an Al 0.3 Ga 0.7 As layer 15-18 having the same composition as that of the upper optical guide layer was formed thereon by an MBE method with an average film thickness of 0. 2 μm is grown to form a periodic step on the surface. The step is composed of a terrace surface composed of a (111) A surface having a width of about 225 nm and a step surface composed of a (001) surface having a width of about 38 nm. The cycle of repetition coincides with the cycle of the diffraction grating of 250 nm, and the height difference of the step is about 20 nm.

【0065】平坦な基板上でのGaAsの成長速度をV
00,Al0.3 Ga0.7 Asの成長速度をV03とし、
回折格子上での成長面の進行速度をGaAsにたいして
Vg00,Al0.3 Ga0.7 AsにたいしてVg03と
し、成長方向と基板法線のなす角をGaAsにたいして
θg00,Al0.3 Ga0.7 Asにたいしてθg03と
する(図16(a),(b)を参照のこと)。本実施例
においてはV00=11nm/min,V03=15.
7nm/minであり、θg00=θg03=70.5
°である。
V is the growth rate of GaAs on a flat substrate.
00, Al 0.3 Ga 0.7 As growth rate is V03,
The progress velocity of the growth surface on the diffraction grating is Vg00, Al 0.3 Ga 0.7 As is Vg03 for GaAs, and the angle formed by the growth direction and the substrate normal is θg00, Al 0.3 Ga 0.7 As for GaAs (FIG. 16). (See (a) and (b)). In this embodiment, V00 = 11 nm / min, V03 = 15.
7 nm / min, θg00 = θg03 = 70.5
°.

【0066】Vg00=V00/cosθg00,Vg
03=V03/cosθg03となるので、基板面に水
平な面内での成長面の伝搬速度はV100=V00/t
anθg00,V103=V03/tanθg03とな
る。こうして成長面の水平方向への伝搬速度が明らかに
なる。本実施例においてはV100=29.5nm/m
in,V103=42.1nm/minとなっている。
Vg00 = V00 / cos θg00, Vg
Since 03 = V03 / cos θg03, the propagation velocity of the growth surface in the plane horizontal to the substrate surface is V100 = V00 / t.
anθg00, V103 = V03 / tanθg03. Thus, the horizontal propagation velocity of the growth surface becomes clear. In this embodiment, V100 = 29.5 nm / m
in, V103 = 42.1 nm / min.

【0067】これを用いてシャッタの開閉によって、B
eドープGaAsおよびBeドープAl0。3 Ga0.7
s層からなる周期構造15−19を形成する。すなわち、
GaAs層を1分41秒成長させ、引き続いてAlGa
As層を1分47秒成長させ、さらにGaAs層を1分
41秒成長させ、引き続いてAlGaAs層を1分47
秒成長させることによって、成長面の周期構造は水平方
向に250nm進行する。この間に垂直方向にも約88
nm成長面は進行している。またこのとき、基板面に水
平な方向での周期構造の繰り返し周期は125nmにな
っており、形成された回折格子のピッチの1/2の周期
を持つ屈折率の変調構造が作製できている。 成長条件
を変えて(111)面上の成長速度も大きくなるように
して、BeドープAl0.3 Ga0.7 As層15−191を
0.2μm形成して成長面を平坦にし、この上にBeド
ープAl0.5 Ga0.5 As上部クラッド層1.5μm15
−192とBeドープのGaAsキャップ層15−193
を0.3μm形成してLD構造としている。 このよう
にして構成した光導波路は上部ガイド層中に125nm
ごとに配置されたGaAsの厚い部分によって、等価屈
折率が変調を受けている。
By using this, by opening and closing the shutter, B
e-doped GaAs and Be-doped Al 0.3 Ga 0.7 A
The periodic structure 15-19 composed of the s layer is formed. That is,
The GaAs layer is grown for 1 minute and 41 seconds, and then AlGa
The As layer is grown for 1 minute 47 seconds, the GaAs layer is further grown for 1 minute 41 seconds, and then the AlGaAs layer is grown for 1 minute 47 seconds.
By the second growth, the periodic structure on the growth surface advances horizontally by 250 nm. In the meantime, about 88
nm growth surface is progressing. Further, at this time, the repeating period of the periodic structure in the direction horizontal to the substrate surface is 125 nm, and the refractive index modulation structure having a period of 1/2 of the pitch of the formed diffraction grating can be manufactured. The growth conditions were changed so that the growth rate on the (111) plane was also increased, and a Be-doped Al 0.3 Ga 0.7 As layer 15-191 was formed to a thickness of 0.2 μm to flatten the growth surface. 0.5 Ga 0.5 As Upper clad layer 1.5 μm 15
-192 and Be-doped GaAs cap layer 15-193
Of 0.3 μm to form an LD structure. The optical waveguide thus constructed has a thickness of 125 nm in the upper guide layer.
The equivalent refractive index is modulated by the thick portion of GaAs arranged for each.

【0068】実施例2 図17は本発明の実施例2として、形状の崩れた周期構
造を持つ回折格子つきの導波路を示す。SiドープGa
As基板17−71は(111)A面から(100)面方
向に5度傾いた面を基板表面とする傾斜基板である。こ
の上にSiドープAl0.5 Ga0.5 Asクラッド層17−
72が1.0μm形成されている。
Example 2 FIG. 17 shows, as Example 2 of the present invention, a waveguide with a diffraction grating having a periodic structure with a deformed shape. Si-doped Ga
The As substrate 17-71 is an inclined substrate having a surface inclined by 5 degrees from the (111) A plane in the (100) plane direction. On top of this, Si-doped Al 0.5 Ga 0.5 As clad layer 17-
72 is formed with a thickness of 1.0 μm.

【0069】次に17−73はアンドープのAl0.1 Ga
0.9 As200nmからなる導波層である。この上に上
部の光ガイド層であるBeドープAl0.3 Ga0.7 As
層17−74を0.3μm形成させ、この表面にレーザ干
渉露光法を用いて、ピッチ250nmのレジストパター
ンを形成し、ドライエッチングによって2次回折格子を
形成する。MBEチャンバ内でレジスト残渣と表面の酸
化物を除去した後に、この上にGSMBE法でAl0.3
Ga0.7 As層を成長させ、表面に段差が形成された後
には、マスフローコントローラによって材料の供給量を
制御し、BeドープのAl0.1 Ga0.9 AsおよびBe
ドープのAl0.3 Ga0.7 As層からなる周期構造17−
75を形成する。成長面が相似形を保つことができず新
たなファセット面が出る場合でも、図9の(b)図に示
すように形成された回折格子のピッチの1/2の周期を
持つ屈折率の変調構造が作製できる。
Next, 17-73 is undoped Al 0.1 Ga
This is a waveguide layer made of 0.9 As200 nm. On top of this, a Be-doped Al 0.3 Ga 0.7 As upper optical guide layer is formed.
A layer 17-74 is formed to a thickness of 0.3 μm, a resist pattern having a pitch of 250 nm is formed on the surface by a laser interference exposure method, and a secondary diffraction grating is formed by dry etching. After removing the resist residue and the oxide on the surface in the MBE chamber, Al 0.3
After the Ga 0.7 As layer was grown and the step was formed on the surface, the material flow rate was controlled by the mass flow controller, and the Be-doped Al 0.1 Ga 0.9 As and Be were doped.
Periodic structure composed of doped Al 0.3 Ga 0.7 As layer 17-
Forming 75. Even when the growth surface cannot maintain the similar shape and a new facet surface appears, the modulation of the refractive index having the period of 1/2 of the pitch of the diffraction grating formed as shown in FIG. 9B. A structure can be produced.

【0070】成長条件を変えて(111)面上の成長速
度も大きくなるようにして、BeドープのAl0.3 Ga
0.7 As層17−76を0.2μm形成して成長面を平坦
にし、この上にBeドープのAl0.5 Ga0.5 As上部
クラッド層1.5μm17−77と、BeドープGaAs
キャップ層を0.3μm形成している。
By changing the growth conditions and increasing the growth rate on the (111) plane, Be-doped Al 0.3 Ga
A 0.7 As layer 17-76 is formed to a thickness of 0.2 μm to flatten the growth surface, on which a Be-doped Al 0.5 Ga 0.5 As upper cladding layer 1.5 μm 17-77 and a Be-doped GaAs are deposited.
A cap layer of 0.3 μm is formed.

【0071】実施例3 図18は本方法を用いて作製した2次元量子井戸であ
る。基板18−41は基板であるSiド−プGaAs基板
である。この基板は(111)面から(110)方向に
2°傾斜した構造となっている。この上に18−42のS
iド−プAlGaAs(As組成0.5)を1.5μm
成長させる。さらに、18−43のSiド−プAlGaA
s(Al組成0.1)を0.4μm成長させ、成長をい
ったん中断する。これを成長装置から取りだし、干渉露
光により回折格子を形成する。
Example 3 FIG. 18 shows a two-dimensional quantum well manufactured by this method. Substrate 18-41 is a Si-doped GaAs substrate which is a substrate. This substrate has a structure inclined by 2 ° from the (111) plane in the (110) direction. 18-42 S on this
i-doped AlGaAs (As composition 0.5) 1.5 μm
Grow. In addition, 18-43 Si doped AlGaA
s (Al composition 0.1) is grown to 0.4 μm, and the growth is temporarily stopped. This is taken out from the growth apparatus and a diffraction grating is formed by interference exposure.

【0072】このように形成した回折格子を持った成長
膜を再度成長室の中に入れる。これが、図18に示した
18−44のような回折格子となる。この上にまずバッフ
ァ効果を持たせるために、Siド−プAlGaAs(A
l組成0.3)を50nm形成する。この結果、図1
3、14において説明したように(111)面と(10
0)面のステップが形成され、傾斜面(100)面の幅
は約10nmとなる。一方18−45上に活性層となるア
ンド−プGaAsを(100)面上で10nm程度に成
長させる。この時(111)面上でGaAsの膜厚は3
nm以下となる。18−46の井戸の上にバリアとなる18
−47のAlGaAs(Al組成0.3)を10nm形
成する。さらに井戸となる18−48GaAsを(10
0)上で100形成する。以上が活性層となる。この上
に18−49の光ガイド層Beド−プAlGaAs(Al
組成0.3)を100nm形成している。さらに、クラ
ッド層となるBeド−プAlGaAs(Al組成0.
5)を1.5μm成長させた。最後にキャップ層となる
Beド−プGaAsを0.5μm成長してレーザが作製
できる。作製した2次元量子井戸のしきい電流密度が通
常の1次元量子井戸に比較し3割程度の改善が見られ
た。
The growth film having the diffraction grating thus formed is again placed in the growth chamber. This is shown in FIG.
It becomes a diffraction grating like 18-44. First, in order to have a buffer effect, Si-doped AlGaAs (A
l composition 0.3) is formed to 50 nm. As a result,
As described in 3 and 14, (111) plane and (10
The steps of the (0) plane are formed, and the width of the inclined plane (100) plane becomes about 10 nm. On the other hand, on the 18-45, and-type GaAs to be an active layer is grown to a thickness of about 10 nm on the (100) plane. At this time, the film thickness of GaAs is 3 on the (111) plane.
nm or less. 18-46 as a barrier over wells
-47 AlGaAs (Al composition 0.3) is formed to a thickness of 10 nm. Furthermore, 18-48 GaAs, which becomes a well, is
0) Form 100 above. The above is the active layer. On this, 18-49 optical guide layer Be-doped AlGaAs (Al
Composition 0.3) is formed to 100 nm. Further, Be-doped AlGaAs (Al composition: 0.
5) was grown to 1.5 μm. Finally, a Be-doped GaAs to be a cap layer is grown to a thickness of 0.5 μm to produce a laser. The threshold current density of the fabricated two-dimensional quantum well was improved by about 30% as compared with the ordinary one-dimensional quantum well.

【0073】実施例4 図19は本発明の実施例4である。本実施例の特徴はキ
ャリアブロック層19−65を設けたことにある。図上の
19−61は基板であるSiド−プGaAsである。この
基板は(111)面を有し、(110)方向に5°傾い
ている。この基板上に19−62のSiド−プAlGaA
s(Al組成50%)を1.5μm成長させる。更に、
19−63の光ガイド層Siド−プAlGaAs(Al組
成10%)を200nm成長させ、ここで一旦成長を中
断する。ここで実施例3に示したような干渉露光法によ
り格子間隔250nmの回折格子を形成した。再び成長
装置内にこれを入れ、再成長を行う。19−64は光ガイ
ド層であって、Siド−プAlGaAs(Al組成0.
1)を(100)面上で100nm形成した。さらにそ
の上に、19−65のキャリアブロック層Siド−プAl
GaAs(組成0.3)を50nm形成させ、引き続い
てこの上に活性領域を積層する。19−66はバリアであ
るアンド−プAlGaAs(Al組成0.3)を(10
0)面上で10nm成長させ、引き続いて井戸として19
−67のアンド−プAlGaAs(Al組成0.1)を
(100)面上で60nmになるように積層している。
この繰り返しを19−68(バリア)、19−69(井
戸)、19−70(バリア)、19−71(井戸)と繰返
す。さらに、19−72もバリアであるが、やや厚くし、
且つ(111)面と(100)面の選択比を低減させ
る。その方法としては基板温度を低下する。その構造は
アンド−プAlGaAs(Al組成0.3)50nmで
ある。この後に19−73の光ガイド層を100nm積層
する。構造はBeド−プAlGaAsであって、Alの
組成を0.3から0.5に上げている。その上に19−7
4に示したクラッドであるBeド−プAlGaAsを
1.5μm積層している。最後にBeド−プAlGaA
sを0.5μm積層し、レーザ用構造ができる。本実施
例では一次成長も再成長もMOCVD法を用いた。ガス
系の成長場合はMBE法のような固体ソース成長に比較
し(111)面と(100)面上の選択比を大きく選択
できて、より安定した量子細線ができる。
Fourth Embodiment FIG. 19 shows a fourth embodiment of the present invention. The feature of this embodiment is that the carrier block layers 19-65 are provided. On the figure
Reference numeral 19-61 is a Si-doped GaAs substrate. This substrate has a (111) plane and is inclined 5 ° in the (110) direction. 19-62 Si doped AlGaA on this substrate
s (Al composition 50%) is grown to 1.5 μm. Furthermore,
An optical guide layer Si-doped AlGaAs of 19-63 (Al composition 10%) is grown to 200 nm, and the growth is temporarily stopped here. Here, a diffraction grating having a grating interval of 250 nm was formed by the interference exposure method as shown in Example 3. This is put in the growth apparatus again and regrowth is performed. Reference numeral 19-64 is an optical guide layer, which is made of Si-doped AlGaAs (Al composition: 0.
1) was formed to 100 nm on the (100) plane. Further thereon, 19-65 carrier block layer Si-doped Al
GaAs (composition 0.3) is formed to a thickness of 50 nm, and then an active region is laminated thereon. 19-66 is a barrier and-type AlGaAs (Al composition 0.3) (10
0) surface is grown to a thickness of 10 nm and subsequently formed as a well 19
A -67 undapped AlGaAs (Al composition: 0.1) is laminated so as to have a thickness of 60 nm on the (100) plane.
This repetition is repeated 19-68 (barrier), 19-69 (well), 19-70 (barrier), 19-71 (well). Furthermore, 19-72 is also a barrier, but it should be a little thicker,
Moreover, the selection ratio between the (111) plane and the (100) plane is reduced. The method is to lower the substrate temperature. The structure is 50 nm of AND-type AlGaAs (Al composition 0.3). Thereafter, a light guide layer 19-73 is laminated to a thickness of 100 nm. The structure is Be-doped AlGaAs, and the Al composition is increased from 0.3 to 0.5. 19-7 on it
Be doped AlGaAs, which is the clad shown in FIG. 4, is laminated in a thickness of 1.5 μm. Finally Be-doped AlGaA
By stacking 0.5 μm of s, a laser structure is formed. In this example, MOCVD was used for both primary growth and regrowth. In the case of gas-based growth, the selection ratio on the (111) plane and the (100) plane can be selected to be larger than that of solid source growth such as the MBE method, and a more stable quantum wire can be formed.

【0074】実施例5 図20は本方法によって作製した量子細線を電界効果ト
ランジスターに利用した図である。20−81は基板であ
るアンド−プGaAs基板である。(110)面基板を
{111}方向に5°から向けた図である。20−82は
回折格子を形成し、再成長させ、量子細線を作製した層
である。量子細線が形成されるファセットは(110)
面と(100)面から形成される。ガス系の成長法MO
CVD法を利用した場合には、この選択比は1:10以
上選択可能である。20−83はソース、ドレイン、ゲー
トに対応してコンタクト層である。20−86、20−8
7、20−88は電極である。
Example 5 FIG. 20 is a view in which a quantum wire manufactured by this method is used for a field effect transistor. A reference numeral 20-81 is an undoped GaAs substrate which is a substrate. It is the figure which turned the (110) plane substrate from 5 ° in the {111} direction. Reference numeral 20-82 is a layer in which a diffraction grating was formed and regrown to produce a quantum wire. The facets on which the quantum wires are formed are (110)
And (100) plane. Gas growth method MO
When the CVD method is used, this selection ratio can be selected to be 1:10 or more. 20-83 are contact layers corresponding to the source, drain and gate. 20-86, 20-8
Reference numerals 7 and 20-88 are electrodes.

【0075】実施例6 図21に本発明の実施例6を示す。(111)面から
[110]方向を回転軸として5度傾いたGaAs基板
1の表面にレーザ干渉露光法を利用して回折格子21−1
を形成した。この回折格子のストライプ方向は[11
0]であって、この回折格子の周期は0.24μm、振
幅は0.1μmとした。この回折格子上に原料ガスとし
てトリメチルガリウム(TMGa)、トリエチルアルミ
ニウム(TEAl)及びAsH3 を用いてGSMBE法
によりGaAs結晶およびAlGaAs結晶を成長し
た。矢印21−3はTMGa分子線とTEAl分子線の入
射方向を表しており、基板の法線方向から50度傾いて
いる。また矢印21−4はAsH3分子線の入射方向を示
しており,基板の法線方向から上記TMGa分子線とは
反対側に10度傾いている。これらの入射方向は全成長
過程で変化させることなく一定に保った。
Embodiment 6 FIG. 21 shows Embodiment 6 of the present invention. The diffraction grating 21-1 is formed on the surface of the GaAs substrate 1 inclined by 5 degrees about the [110] direction from the (111) plane by using the laser interference exposure method.
Was formed. The stripe direction of this diffraction grating is [11
0], and the period of this diffraction grating was 0.24 μm and the amplitude was 0.1 μm. A GaAs crystal and an AlGaAs crystal were grown on this diffraction grating by the GSMBE method using trimethylgallium (TMGa), triethylaluminum (TEAl) and AsH 3 as source gases. The arrow 21-3 indicates the incident direction of the TMGa molecular beam and the TEAl molecular beam, which is inclined by 50 degrees from the normal direction of the substrate. An arrow 21-4 indicates the incident direction of the AsH 3 molecular beam, which is tilted by 10 degrees from the normal line direction of the substrate to the side opposite to the TMGa molecular beam. These incident directions were kept constant without changing during the whole growth process.

【0076】21−5は上記回折格子上に成長したAlG
aAs層であり、その表面にはテラス21−6と段差21−
7からなるノコギリ刃形状が形成された。ここで、テラ
スの面方位は(111)であり、また段差の高さは約2
1nmであった。この時、テラス面に垂直な方向の成長
速度Vtはほとんど無視できるほどに小さくなり、段差
が横方向に移動することによって成長が進行する定常状
態が達成された。
21-5 is AlG grown on the diffraction grating
It is an aAs layer, on the surface of which there is a terrace 21-6 and a step 21-
A saw blade shape of 7 was formed. Here, the plane orientation of the terrace is (111), and the height of the step is about 2
It was 1 nm. At this time, the growth rate Vt in the direction perpendicular to the terrace surface was almost negligibly small, and a steady state in which the growth proceeded was achieved by the lateral movement of the step.

【0077】つぎに横方向に20nmのGaAs層21−
8と75nmのAlGaAs層21−9を交互に成長さ
せ、さらにAlGaAs層21−10およびGaAsキャ
ップ層21−11を成長させた。この結果、AlGaAs
の障壁中に断面が21nm×20nmのGaAsの井戸
領域が配列された2次元超格子21−12が形成された。
Next, the GaAs layer 21-having a thickness of 20 nm is formed in the lateral direction.
8 and 75 nm AlGaAs layers 21-9 were alternately grown, and further AlGaAs layers 21-10 and GaAs cap layers 21-11 were grown. As a result, AlGaAs
A two-dimensional superlattice 21-12, in which well regions of GaAs having a cross section of 21 nm × 20 nm are arranged in the barrier, was formed.

【0078】実施例7 図22に本発明の実施例7を示す。(111)面から
[110]方向を回転軸として5度傾いたGaAs基板
13の表面に光干渉露光法を用いて回折格子22−14を
形成した。この回折格子のストライプ方向は[110]
であって、この回折格子の周期は0.1μm、振幅は
0.05μmとした。この回折格子上に固体原料のG
a、Al及びAsを用いてMBE法によりGaAs結晶
およびAlGaAs結晶を成長させた。矢印22−15は
GaとAl分子線の入射方向を表現しており、基板の法
線方向から50度傾いている。同様に矢印22−16はA
s分子線の入射方向を表現しており、基板の法線方向か
ら上記Ga分子線とは反対側に20度傾いている。これ
らの入射方向は全成長過程で変化させることなく一定に
保った。
Embodiment 7 FIG. 22 shows Embodiment 7 of the present invention. Diffraction gratings 22-14 were formed on the surface of the GaAs substrate 13 tilted 5 degrees from the (111) plane with the [110] direction as the axis of rotation, using the optical interference exposure method. The stripe direction of this diffraction grating is [110]
Therefore, the period of this diffraction grating was 0.1 μm and the amplitude was 0.05 μm. On the diffraction grating, the solid raw material G
GaAs crystals and AlGaAs crystals were grown by MBE using a, Al and As. Arrows 22-15 represent the incident directions of Ga and Al molecular beams, and are inclined by 50 degrees from the normal line direction of the substrate. Similarly, arrow 22-16 is A
It represents the incident direction of the s molecular beam, and is inclined by 20 degrees from the normal direction of the substrate to the side opposite to the Ga molecular beam. These incident directions were kept constant without changing during the whole growth process.

【0079】22−17は回折格子上に成長したAlGa
As層であり、その表面にはテラス22−18と段差22−
19からなるノコギリ刃形状が形成された。テラスの面
方位は(111)であり、段差の高さは21nmであっ
た。この時、テラス面に垂直な方向の成長速度Vtは段
差の横方向成長速度Vsの約1/10となり、段差がほ
ぼ横方向に移動することによって成長が進行する定常状
態が達成された。 次に横方向に10nmのGaAs層
22−20と37nmのAlGaAs層22−21を交互に
成長させ、さらにAlGaAs層22−22およびGaA
sキャップ層23を成長させた。この結果AlGaAs
の障壁中に断面が10nm×21nmのGaAsの井戸
領域が配列された2次元超格子12が形成された。
22-17 is AlGa grown on the diffraction grating
It is an As layer, on the surface of which a terrace 22-18 and a step 22-
A saw blade shape consisting of 19 was formed. The plane orientation of the terrace was (111) and the height of the step was 21 nm. At this time, the growth rate Vt in the direction vertical to the terrace surface was about 1/10 of the lateral growth rate Vs of the step, and the steady state in which the growth progressed was achieved by the step moving substantially in the lateral direction. Next, 10 nm GaAs layer in the lateral direction
The AlGaAs layers 22-21 of 22-20 and 37 nm are alternately grown, and the AlGaAs layers 22-22 and GaA are further grown.
The s cap layer 23 was grown. As a result, AlGaAs
A two-dimensional superlattice 12 in which GaAs well regions each having a cross section of 10 nm × 21 nm are arranged in the barrier of FIG.

【0080】[0080]

【発明の効果】傾斜基板を利用すれば、その傾斜基板の
上に形成された周期構造に対して 1/Nの周期をもつ周
期構造を導入することができる。その回折格子の周期は
干渉露光法で形成された回折格子の周期の整数分の1と
なるので、作製する回折格子の周期は干渉露光法によっ
て容易に制御できる。更に、再現性良く量子細線を得る
ことができる。
By using an inclined substrate, it is possible to introduce a periodic structure having a period of 1 / N with respect to the periodic structure formed on the inclined substrate. Since the period of the diffraction grating is an integer fraction of the period of the diffraction grating formed by the interference exposure method, the period of the diffraction grating to be manufactured can be easily controlled by the interference exposure method. Furthermore, quantum wires can be obtained with good reproducibility.

【0081】本発明により半導体中のキャリアーに対し
て十分な閉じ込め効果を有する量子細線やその量子細線
が高密度に配列された2次元超格子を比較的簡便に、し
かも再現性良く作製することが可能になった。
According to the present invention, a quantum wire having a sufficient confinement effect on carriers in a semiconductor and a two-dimensional superlattice in which the quantum wires are arranged at a high density can be produced relatively easily and with good reproducibility. It became possible.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】従来のフォログラフィック干渉法による回折格
子の作成法の工程を示す断面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a step of a method for producing a diffraction grating by a conventional holographic interferometry method.

【図2】従来の第2の方法の工程を説明する断面図であ
る。
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a step of a second conventional method.

【図3】従来の第3の方法の工程を説明する断面図であ
る。
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a step of a third conventional method.

【図4】1 次元、2次元、3次元井戸構造の概念図である。FIG. 4 is a conceptual diagram of one-dimensional, two-dimensional, and three-dimensional well structures.

【図5】図 4に示した井戸構造の電子の状態密度とエネ
ルギ−との関係を示す図である。
5 is a diagram showing a relationship between electron state density and energy in the well structure shown in FIG.

【図6】結晶面の成長を示す概念図である。FIG. 6 is a conceptual diagram showing growth of crystal planes.

【図7】有る分子種が結晶の中で縦方向に成長した量子
細線示概念図である。
FIG. 7 is a quantum thin line conceptual diagram in which a certain molecular species grows vertically in a crystal.

【図8】形成されるノコギリ形状を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing a sawtooth shape formed.

【図9】形成された新しい周期構造(a)と等価屈折率
の変調(b)を示す図である。
FIG. 9 is a diagram showing a formed new periodic structure (a) and modulation of an equivalent refractive index (b).

【図10】面方位{111 }を持つ半導体基板上に0.5-15
度傾斜した面方位を持つ長周期構造を形成した模式図。
FIG. 10: 0.5-15 on a semiconductor substrate having a plane orientation of {111}
The schematic diagram which formed the long period structure which has a plane direction inclined by a degree.

【図11】図10の長周期構造の上に短周期構造を作製す
る模式図である。
FIG. 11 is a schematic view of manufacturing a short-period structure on the long-period structure of FIG.

【図12】図11の一部の拡大模式図である。FIG. 12 is an enlarged schematic view of a part of FIG. 11.

【図13】図12の一部の拡大模式図である。FIG. 13 is an enlarged schematic view of a part of FIG.

【図14】成長方向の異なったステップの積層構造の模
式図である。
FIG. 14 is a schematic view of a laminated structure of steps having different growth directions.

【図15】本発明の実施例1を示す工程図である。FIG. 15 is a process chart showing Example 1 of the present invention.

【図16】各方向からみた成長速度を表す図である。FIG. 16 is a diagram showing a growth rate viewed from each direction.

【図17】本発明の第2の実施例の回折格子付き導波路
の断面図である。
FIG. 17 is a sectional view of a waveguide with a diffraction grating according to a second embodiment of the present invention.

【図18】実施例3によって作製した2次元量子井戸レ
−ザを示す模式図である。
FIG. 18 is a schematic view showing a two-dimensional quantum well laser manufactured according to Example 3.

【図19】実施例4によって作製した2次元量子井戸レ
−ザを示す模式図である。
FIG. 19 is a schematic view showing a two-dimensional quantum well laser manufactured according to Example 4.

【図20】実施例5によって作製した量子細線を電界効
果トランジスタ−に応用した図である。
FIG. 20 is a diagram in which the quantum wire produced in Example 5 is applied to a field effect transistor.

【図21】 (111)面から[110]方向を回転軸
として5度傾いたGaAs基板1の表面にレーザー干渉
露光法を利用してグレーテイング2を形成した図であ
る。
FIG. 21 is a diagram in which a grating 2 is formed on the surface of a GaAs substrate 1 tilted by 5 degrees about the [110] direction from the (111) plane by using a laser interference exposure method.

【図22】 (111)面から[110]方向を回転軸
として5度傾いたGaAs基板13の表面にレーザー干
渉露光法を利用してグレーテイング14を形成した図で
ある。
FIG. 22 is a diagram in which a grating 14 is formed on a surface of a GaAs substrate 13 tilted by 5 degrees about a [110] direction from a (111) plane by using a laser interference exposure method.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1−21 基板 1−22 フォトレジスト 1−23 レーザビーム 1−24 レーザビーム 1−25 フォトレジストマスク 1−26 周期構造 2−27 GaAs基板 2−27a 溝 2−28 フォトレジスト 3−29 フォトレジスト 3−30 基板 3−31 SiNx膜 3−32 SiNx膜のエッチングマスク 3−33 回折格子 10− 1 傾斜面 10− 3 平坦な部分 10− 5 基板表面の緩やかなピッチ 10− 6 周期構造 11− 1 傾斜面 11− 3 平坦な部分 11− 5 基板表面の緩やかなピッチ 11− 6 長周期構造に短周期構造が重なった形 11− 7 短周期構造 12− 7 短周期構造 12− 8 半導体膜 12− 9 半導体膜 12−10 半導体膜 12−11 段差部分から成る鋸形 13−21 回折格子 13−22 エピタキシャル法による膜 14−31 量子井戸 14−32 積層 14−33 積層 15−11 SiドープのGaAs傾斜基板 15−13 SQW活性層 15−14 SiドープAly Ga1-y As 15−15 活性層 15−16 光ガイド層 15−17 回折格子 15−18 Al0.3 Ga0.7 As 15−19 BeドープAl0.3 Ga0.7 As 17−71 GaAs傾斜基板 17−72 SiドープAl0.5 Ga0.5 As 17−73 アンドープAl0.1 Ga0.9 As 17−74 BeドープAl0.3 Ga0.7 As 17−75 2次の回折格子 17−76 周期構造 18−41 基板 18−42 SiドープAlGaAs(Al組成0.
5) 18−43 SiドープAlGaAs(Al組成0.
1) 18−44 回折格子 18−45 井戸 18−46 井戸 18−47 AlGaAs(Al組成0.3) 18−49 光ガイド層 19−61 SiドープGaAs 19−62 SiドープAlGaAs(Al組成0.
5) 19−63 SiドープAlGaAs(Al組成0.
1) 19−64 光ガイド層 19−65 キャリアブロック 19−66 バリア、アンドープAlGaAs(Al
組成0.3) 19−67 アンドープAlGaAs(Al組成0.
1) 19−68 バリア 19−69 井戸 19−70 バリア 19−71 井戸 19−72 バリア 19−73 光ガイド層 19−74 クラッド、BeドープAlGaAs 20−81 基板、アンドープGaAs 20−82 回折格子 20−83 ソース、ドレイン、ゲート 20−86 電極 20−87 量子細線 20−88 電極 20−89 電極 21− 1 GaAs基板 21− 2 グレーティング 21− 3 TMGa分子線およびTEAl分子線の
入射方向 21− 4 AsH3分子線の入射方向 21− 5 AlGaAs層 21− 6 テラス 21− 7 段差 21− 8 GaAs井戸領域 21− 9 AlGaAs障壁領域 21−10 AlGaAs障壁層 21−11 GaAsキャップ層 21−12 2次元超格子層 22−13 GaAs基板 22−14 グレーティング 22−15 TMGa分子線およびTEAl分子線の
入射方向 22−16 AsH3分子線の入射方向 22−17 AlGaAs層 22−18 テラス 22−19 段差 22−20 GaAs井戸領域 22−21 AlGaAs障壁領域 22−22 AlGaAs障壁層 22−23 GaAsキャップ層 22−24 2次元超格子層 51 半導体基板 52 回折格子 53 ノコギリ形状 55 回折格子 56 ノコギリ形状 61 第1の周期構造 62 第1の成長層 63 第2の周期構造 81 GaAs 82 Al0.3 Ga0.7 As
1-21 Substrate 1-22 Photoresist 1-23 Laser beam 1-24 Laser beam 1-25 Photoresist mask 1-26 Periodic structure 2-27 GaAs substrate 2-27a Groove 2-28 Photoresist 3-29 Photoresist 3 -30 Substrate 3-31 SiNx Film 3-32 SiNx Film Etching Mask 3-33 Diffraction Grating 10-1 Sloping Surface 10-3 Flat Part 10-5 Slow Pitch of Substrate Surface 10-6 Periodic Structure 11-1 Inclination Surface 11-3 Flat part 11-5 Moderate pitch of substrate surface 11-6 Form in which short period structure overlaps long period structure 11-7 Short period structure 12-7 Short period structure 12-8 Semiconductor film 12-9 Semiconductor film 12-10 Semiconductor film 12-11 Saw-shaped 13-21 diffraction grating 13-22 Epitaxy consisting of stepped portion Law by membrane 14-31 quantum well 14-32 GaAs inclined substrate 15-13 SQW active layer of the laminate 14-33 stacked 15-11 Si-doped 15-14 Si-doped Al y Ga 1-y As 15-15 active layer 15 16 Optical guide layer 15-17 Diffraction grating 15-18 Al 0.3 Ga 0.7 As 15-19 Be-doped Al 0.3 Ga 0.7 As 17-71 GaAs inclined substrate 17-72 Si-doped Al 0.5 Ga 0.5 As 17-73 Undoped Al 0.1 Ga 0.9 As 17-74 Be-doped Al 0.3 Ga 0.7 As 17-75 Second-order diffraction grating 17-76 Periodic structure 18-41 Substrate 18-42 Si-doped AlGaAs (Al composition 0.
5) 18-43 Si-doped AlGaAs (Al composition: 0.
1) 18-44 Diffraction grating 18-45 Well 18-46 Well 18-47 AlGaAs (Al composition 0.3) 18-49 Optical guide layer 19-61 Si-doped GaAs 19-62 Si-doped AlGaAs (Al composition 0.
5) 19-63 Si-doped AlGaAs (Al composition: 0.
1) 19-64 Optical guide layer 19-65 Carrier block 19-66 Barrier, undoped AlGaAs (Al
Composition 0.3) 19-67 Undoped AlGaAs (Al composition 0.
1) 19-68 Barrier 19-69 Well 19-70 Barrier 19-71 Well 19-72 Barrier 19-73 Optical guide layer 19-74 Clad, Be-doped AlGaAs 20-81 Substrate, Undoped GaAs 20-82 Diffraction grating 20- 83 Source, Drain, Gate 20-86 Electrode 20-87 Quantum Wire 20-88 Electrode 20-89 Electrode 21-1 GaAs Substrate 21-2 Grating 21-3 Incident Direction of TMGa Molecular Beam and TEAl Molecular Beam 21-4 AsH3 Molecule Line incident direction 21-5 AlGaAs layer 21-6 Terrace 21-7 Step 21-8 GaAs well region 21-9 AlGaAs barrier region 21-10 AlGaAs barrier layer 21-11 GaAs cap layer 21-12 Two-dimensional superlattice layer 22 -13 GaAs substrate 22-1 4 Grating 22-15 Incident direction of TMGa molecular beam and TEAl molecular beam 22-16 Ascending direction of AsH3 molecular beam 22-17 AlGaAs layer 22-18 Terrace 22-19 Step 22-20 GaAs well region 22-21 AlGaAs barrier region 22 -22 AlGaAs barrier layer 22-23 GaAs cap layer 22-24 Two-dimensional superlattice layer 51 Semiconductor substrate 52 Diffraction grating 53 Sawtooth shape 55 Diffraction grating 56 Sawtooth shape 61 First periodic structure 62 First growth layer 63 Second Periodic structure 81 GaAs 82 Al 0.3 Ga 0.7 As

Claims (17)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 第1の周期構造を形成してなる半導体基
板上に、第1の周期構造と位相がずれた第2の周期構造
を少なくとも一層以上含んで成ることを特徴とした半導
体装置。
1. A semiconductor device comprising at least one layer of a second periodic structure, which is out of phase with the first periodic structure, on a semiconductor substrate formed with the first periodic structure.
【請求項2】 第2の周期構造の周期が第1の周期と一
致する請求項1の半導体装置。
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the period of the second periodic structure coincides with the first period.
【請求項3】 該第2の周期構造が多層膜より形成され
ていることを特徴とした請求項1の半導体装置。
3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the second periodic structure is formed of a multilayer film.
【請求項4】 閃亜鉛鉱型結晶構造を有した半導体で基
板が{111}面から0.5〜15°の範囲で傾いた面
方位を少なくとも部分的に持つ半導体基板を用い、該基
板表面に形成された{111}面とその他の指数を持つ
1つ以上の面から構成されるノコギリ状の第1の周期構
造を形成し、その周期構造の上に面方位によって成長速
度の異なる結晶成長法を用いて、半導体基板の法線とは
一致しない方向へ成長面を進行させて、基板面にそった
第2の新たな周期構造を活性領域の量子細線として利用
した半導体装置。
4. A semiconductor substrate having a zinc blende type crystal structure, wherein the substrate at least partially has a plane orientation inclined in a range of 0.5 to 15 ° from a {111} plane, and the substrate surface is used. Sawtooth-shaped first periodic structure composed of {111} faces formed on the surface and one or more faces with other indices is formed, and crystal growth with different growth rate on the periodic structure depending on the plane orientation. A semiconductor device in which a second new periodic structure along the substrate surface is used as a quantum wire in the active region by advancing the growth surface in a direction that does not match the normal line of the semiconductor substrate using the method.
【請求項5】 閃亜鉛鉱型結晶構造を有した半導体で基
板が{110}面から0.5〜15°の範囲で傾いた面
方位を少なくとも部分的に持つ半導体基板を用い、該基
板表面に形成された{110}面とその他の指数を持つ
1つ以上の面から構成されるノコギリ状の第1の周期構
造を形成し、その周期構造の上に面方位によって成長速
度の異なる結晶成長法を用いて、半導体基板の法線とは
一致しない方向へ成長面を進行させて、基板面にそった
第2の新たな周期構造を活性領域の量子細線として利用
した半導体装置。
5. A semiconductor substrate having a zinc blende type crystal structure, wherein the substrate at least partially has a plane orientation inclined in a range of 0.5 to 15 ° from a {110} plane, and the substrate surface is used. Sawtooth-shaped first periodic structure composed of {110} face formed on the surface and one or more faces with other indices is formed, and crystal growth with different growth rate depending on the plane orientation is formed on the periodic structure. A semiconductor device in which a second new periodic structure along the substrate surface is used as a quantum wire in the active region by advancing the growth surface in a direction that does not match the normal line of the semiconductor substrate using the method.
【請求項6】 請求項4において、該半導体成長法がM
BE法により形成された半導体装置。
6. The method according to claim 4, wherein the semiconductor growth method is M
A semiconductor device formed by the BE method.
【請求項7】 請求5項において、該半導体成長法がM
BE法により形成された半導体装置。
7. The method according to claim 5, wherein the semiconductor growth method is M
A semiconductor device formed by the BE method.
【請求項8】 請求4項の半導体成長法において、該成
長法の一部または、全部がガス状の供給源料により形成
された半導体装置。
8. The semiconductor device according to claim 4, wherein a part or all of the growth method is formed by a gaseous source material.
【請求項9】 請求項5の半導体成長法において、該成
長法の一部または、全部がガス状の供給源料により形成
された半導体装置。
9. The semiconductor device according to claim 5, wherein a part or all of the growth method is formed by a gaseous source material.
【請求項10】 閃亜鉛鉱型結晶構造を有した半導体で
基板が{111}面から0.5〜15°の範囲で傾いた
面方位を少なくとも部分的に持つ半導体基板を用い、該
基板表面に形成された{111}面とその他の指数を持
つ1つ以上の面から構成されるノコギリ状の第1の周期
構造を形成し、その周期構造の上に面方位によって成長
速度の異なる結晶成長法を用いて、半導体基板の法線と
は一致しない方向へ成長面を進行させて、基板面にそっ
た第2の新たな周期構造を形成することを特徴とする回
折格子の形成方法。
10. A semiconductor substrate having a zinc blende type crystal structure, wherein the substrate at least partially has a plane orientation inclined in a range of 0.5 to 15 ° from a {111} plane. Sawtooth-shaped first periodic structure composed of {111} faces formed on the surface and one or more faces with other indices is formed, and crystal growth with different growth rate on the periodic structure depending on the plane orientation. A method of forming a diffraction grating, characterized in that a second new periodic structure is formed along the substrate surface by advancing the growth surface in a direction that does not coincide with the normal line of the semiconductor substrate using the method.
【請求項11】 閃亜鉛鉱型結晶構造を有した半導体で
基板が{110}面から0.5〜15°の範囲で傾いた
面方位を少なくとも部分的に持つ半導体基板を用い、該
基板表面に形成された{110}面とその他の指数を持
つ1つ以上の面から構成されるノコギリ状の第1の周期
構造を形成し、その周期構造の上に面方位によって成長
速度の異なる結晶成長法を用いて、半導体基板の法線と
は一致しない方向へ成長面を進行させて、基板面にそっ
た第2の新たな周期構造を形成することを特徴とする回
折格子の形成方法。
11. A semiconductor substrate having a zinc blende type crystal structure, wherein the substrate at least partially has a plane orientation inclined in a range of 0.5 to 15 ° from a {110} plane. Sawtooth-shaped first periodic structure composed of {110} face formed on the surface and one or more faces with other indices is formed, and crystal growth with different growth rate depending on the plane orientation is formed on the periodic structure. A method of forming a diffraction grating, characterized in that a second new periodic structure is formed along the substrate surface by advancing the growth surface in a direction that does not coincide with the normal line of the semiconductor substrate using the method.
【請求項12】 請求項10および請求項11の形成方
法において、第1の周期構造とその上に成長する層の屈
折率が等しい材料を用い、第2の周期構造のみが回折格
子として作用することを特徴とする回折格子形成方法。
12. The method according to claim 10 or 11, wherein a material having the same refractive index as that of the first periodic structure and the layer grown thereon is used, and only the second periodic structure acts as a diffraction grating. A method for forming a diffraction grating, which is characterized by the above.
【請求項13】 請求項12の形成方法において、回折
格子が第2の周期構造の整数分の1の周期を持つことを
特徴とする回折格子形成方法。
13. The method of forming a diffraction grating according to claim 12, wherein the diffraction grating has a period of an integer fraction of the second periodic structure.
【請求項14】 請求項13の形成方法において、気相
の結晶成長方法がMBE法、CBE法、GSMBE法、
MOMBE法であることを特徴とする回折格子の形成方
法。
14. The formation method according to claim 13, wherein the vapor phase crystal growth method is MBE method, CBE method, GSMBE method,
A method of forming a diffraction grating, which is a MONBE method.
【請求項15】 請求項14の形成方法において、気相
の結晶成長方法がMOCVD法であることを特徴とする
回折格子形成方法。
15. The method for forming a diffraction grating according to claim 14, wherein the vapor phase crystal growth method is a MOCVD method.
【請求項16】 ダイヤモンド型あるいは閃亜鉛鉱型の
結晶構造を有し、かつ{111}面または{110}面
の方位から0.5度〜15度の範囲で傾いた面方位をも
つ半導体基板において、その基板表面に回折格子を形成
し、その回折格子上に固体原料を用いた分子線エピタキ
シー(MBE)法または気体原料を用いた分子線エピタ
キシー(GSMBE)法により半導体結晶を成長させ、
そのうちの少なくとも一種類の分子線の中心方向がその
半導体基板の法線方向から10度〜80度の範囲で傾斜
していることを特徴とする半導体結晶の製造方法。
16. A semiconductor substrate having a diamond-type or zinc blende-type crystal structure and having a plane orientation inclined by 0.5 to 15 degrees from the orientation of the {111} plane or the {110} plane. In the above, a diffraction grating is formed on the surface of the substrate, and a semiconductor crystal is grown on the diffraction grating by a molecular beam epitaxy (MBE) method using a solid material or a molecular beam epitaxy (GSMBE) method using a gas material,
A method for producing a semiconductor crystal, characterized in that the central direction of at least one kind of molecular beam is inclined within a range of 10 to 80 degrees from the normal direction of the semiconductor substrate.
【請求項17】 上記の結晶成長中に入射分子線の種類
を変えることにより面内方向でエネルギーバンドの変調
構造を形成することを特徴とした半導体結晶の製造方
法。
17. A method for producing a semiconductor crystal, wherein an energy band modulation structure is formed in an in-plane direction by changing the type of incident molecular beam during the crystal growth.
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JP2002344089A (en) * 2001-05-14 2002-11-29 Sharp Corp Nitride semiconductor light-emitting element and manufacturing method therefor
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WO2011021458A1 (en) * 2009-08-20 2011-02-24 株式会社Qdレーザ Semiconductor laser, method for manufacturing same, optical module, and optical transmission system

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